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 問題描述

本案例演示如何使用具有自由表面流體的重疊網格功能和DFBI 對落入水中的救生艇的運動構建模型。STAR-CCM+ 自動進行方格重疊過程。在救生艇落水過程中具有三個自由度的運動的模型：豎直平移和水平平移以及俯仰旋轉。為了降低模擬的計算成本，本案例使用對稱條件，只包含一半幾何，因無需模擬船從坡道其余部分完全落水的情形。船在空氣中的運動可使用簡化的經典物理方程預先計算。模擬從船體初始位置剛好高于水表面開始，相關屬性設置如下：

?質量：10,000kg

?圍繞穿過質心的軸的慣性矩：16000.0 kg m^2

?初始下降速度：22 m/s

?初始角速度：0 rad/s

?初始傾斜角：35°

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STAR-CCM+設置

（1）設置邊界類型；本案例把流體域分為兩個域，一個是救生艇，一個是背景。為能夠在兩個區域之間創建重疊交界面，將重疊網格類型分配給重疊區域中的至少一個邊界。此邊界類型應用于重疊區域的所有邊界表面，這些表面嵌入在背景區域內，不是船體的一部分。對于與背景區域的邊界共平面（在本例中是對稱平面）的重疊區域的邊界，必須為其指定相同的邊界類型。本案例backgroud域邊界設置類型如下：

Overset流體域邊界設置條件如下：

設置完成的結果如下：

（2）選擇物理模型；在將overset域耦合到backgroud域前，必須先有一個物理連續體，并將它同時指定給兩個區域。 可創建物理連續體，然后激活模擬作用于船體上的力時所需要的數個物理模型。本模擬通過使用VOF模型，對同一連續體內的兩種流體（空氣和水）的行為建模。 由于存在處于不同相的兩種流體，所以激活歐拉多相模型，并使用重力模型將兩種流體受到的重力作用納入考慮之中。假定流體是層流，因為本教程只著眼于模擬入水和撞擊力。 如果要模擬救生船長距離運動的真實案例，則需要使用湍流模型。

（3）創建耦合區域；同時選擇Regions> Background和Overset節點，右鍵單擊選擇CreateInterface > Overset Mesh；一個新的交界面節點隨即出現在模擬樹中，其下有一個名稱為重疊網格1 的子節點。這一體積類型的交界面通過使用在一個網格上自動生成的接受者網絡單元組和在另一個網格上生成的供應者網格單元組，提供域上求解的耦合。供應者網格單元上的變量值通過插值來表示接受者網格單元上的變量值。

（4）創建歐拉相；右鍵單擊Continua > Physics1 > Models > Eulerian Multiphase > Eulerian Phases，創建water和air兩個相。

（5）設置DFBI 運動和 6 自由度體；右鍵單擊Motions節點。選擇新建DFBI Rotation andTranslation。一個名稱為DFBIRotation and Translation的新節點被添加到motion節點。在Regions> Overset > Physics Values > Motion Specification 節點，將運動類型設置為DFBI；右鍵單擊DFBI> 6-DOF Bodies 節點，選擇New Body > 3D > Continuum Body，在創建的body節點，設置BodyMass為10000.0 kg。在DFBI> 6-DOF Bodies > Boat > Initial Values > Moment of Inertia節點，設置轉動慣量為[16000.0,16000.0, 16000.0] kg-m^2。雖然創建6 自由度體時已配有自由運動選項，但仍需要為體指定可以使用的移動方式。在本例中，該體可以沿X 軸向自由平移（浪涌），沿Z 軸向自自平移（升降），圍繞 Y 軸自由旋轉（俯仰）。

（6）創建VOF波；VOF波模型生成多個場函數，這些場函數基于用戶定義的波參數。可在對象樹的適當節點中將這些場函數用作邊界和初始條件。要創建VOF 波。右鍵the Continua >Physics 1 > Models > VOF Waves > Waves，選擇flat。選擇FlatWave 節點，把水位設置為[0.0, 0.0, -30] m；

（7）由于本模擬是瞬態模擬，因此需要設置時間步、各時間步內允許的最大內部迭代次數以及獲得求解所用的總體物理時間。時間步值選定為0.0025 s，其目的是，對于任何時間步，重疊網格移動距離小于背景區域中的最小網格單元的高度。更精細的網格需要更小的時間步。選擇Solvers> Implicit Unsteady節點，然后將時間步設為0.0025 s。，將Maximum Physical Time設置為0.5s；

（8）運行模擬；計算結果如下：

救生艇落水過程

本文完

文章來源：有限猿仿真