目 錄

內容:

導入網格，命名模擬

設置模型

設置材料特性

選擇 6 自由度運動模型

設置體初始坐標系

創建 6 自由度體

定義 VOF 波

設置初始條件

設置邊界條件

設置求解器參數和停止條件

創建自由表面等值面

創建自定義顏色映射

可視化自由表面

創建 DFBI 顯示器

導出場景動畫的圖像

報告、監視和繪圖

初始化并運行模擬

可視化結果

總結

1.摘要

本教程演示如何使用具有自由表面流體的六自由度求解器對面臨頂頭波的船體運動建模。STAR-CCM+中的相應功能提供初始條件和波生成。

2.導入網格，命名模擬

啟動 Simcenter STAR-CCM+，導入提供的網格，然后保存模擬。

要導入網格：

1. 以適用于您工作環境的方式啟動Simcenter STAR-CCM+，然后從菜單欄中選擇“新建模擬”選項。

2. 從已下載教程文件的motion文件夾導入三維六面體單元網格 boat.ccm。

3. 將該新模擬另存為boat.sim。

3.設置模型

激活數個物理模型以模擬作用于船體上的力。本模擬通過使用“流體域體積”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。使用默認的 K-Epsilon 湍流模型來模擬湍流對流體的影響。默認的物理連續體是在導入網格時創建的。所有必要的模型均使用此連續體定義。

1. 對于物理連續體連續體 > 物理 1，按順序選擇下列模型：

2. 單擊關閉。

3. 保存模擬 。

4. 設置材料特性

設置歐拉相的材料特性。

在船窗口中，打開連續體節點。物理1節點的顏色已經從灰色變為藍色，這表明已經激活該連續體的模型。

1. 打開物理 1 > 模型節點。

該節點內顯示選定模型。

2. 打開多相節點。

在歐拉相節點下定義混合相中各個相所對應的材料。

3. 右鍵單擊歐拉相節點，選擇新建以創建名稱為相1的相節點

4. 將相1節點重命名為水。

此時需要設置模型以確定水相的行為。

5. 右鍵單擊歐拉相 > 水 > 模型節點，然后選擇選擇模型...

6. 從材料組合框中選擇液體。

7. 從狀態方程組合框中選擇恒密度。

8. 為第二個相重復以上步驟，這一次選擇氣體而不選擇液體，然后指定恒密度。

9. 將該相重命名為空氣。

在兩種情況下，均使用適合各相的默認材料（以水作為液相而以空氣作為氣相），因此無需對材料特性做進一步的更改。要查看材料選擇，可展開歐拉相父節點內的水和空氣節點。

5.選擇6自由度運動模型

要激活6自由度運動求解器，可創建相關的DFBI運動對象，然后將該對象指定給流體區域。在本例中，需要DFBI旋轉和平移運動。要選擇6自由度運動模型：

1. 打開工具 > 運動節點。

默認的固定運動隨即顯示出來。

2. 右鍵單擊運動節點，然后選擇新建 > DFBI 旋轉和平移，如下圖所示。

3. 一個名稱為 DFBI 旋轉和平移的新節點被添加到運動管理器。

為流體區域選擇運動指定節點內的這個新建的運動。

4. 選擇區域 > 區域 1 > 物理值 > 運動指定節點，然后將運動設置為 DFBI 旋轉和平移。

在區域上設置DFBI運動這一操作會讓對象樹上的DFBI管理器節點顯示出來，并將 6 自由度求解器和6自由度運動節點添加到求解器管理器。

6.設置體初始坐標系

6 自由度求解器必須知道體相對于基準坐標系的初始方向。因此，定義局部坐標系，其中的 X 軸與體的前向對齊，Z 軸與豎直方向對齊。

要設置體初始坐標系：

1. 確保幾何場景 1 已打開。

2. 打開工具 > 坐標系節點，然后右鍵單擊基準 > 局部坐標系節點。從彈出菜單中選擇新建 > 笛卡爾。

創建笛卡爾坐標系窗口顯示在資源管理器窗格中。

3. 將 i 方向 的 X 值設置為 -1，將 j 方向的 Y 值設置為 -1，如下圖所示。

4. 單擊創建，然后單擊關閉。

此節點在對象樹中顯示為笛卡爾1。

5. 將笛卡爾1節點重命名為船初始方向。

注: 坐標系的位置和方向可在幾何場景1中查看。選擇對象樹中的船初始方向節點，然后視需要旋轉場景中的模型。

7.創建6自由度體

下一步驟是定義浮動體的表面及其屬性。

要定義表面及其屬性，首先創建一個 6 自由度體并將表示船體的邊界指定給該體：

1. 右鍵單擊 DFBI > 6 自由度體節點，然后從彈出菜單中選擇新建體 > 3D > 連續體。

2. 將體 1 節點重命名為船

3. 選擇船節點，單擊體表面屬性右側的自定義編輯器按鈕 。選擇對象對話框隨之顯示出來。

4. 展開區域和 Region_1 節點，然后勾選船體節點的復選框。單擊確定以關閉對話。

5. 將體質量設置為400.0 kg。

6. 為在啟動體運動之前展開流體求解，請將釋放時間屬性設置為0.5 s。

在本模擬中，僅允許體圍繞Y軸旋轉，藉此模擬頂頭波中的運動。這意味著必須定義圍繞Y軸的慣性矩。

7. 選擇船 > 初始值 > 慣性矩節點：

a) 將對角分量設置為 [1000.0, 1000.0, 1000.0] kg-m^2。

b) 將坐標系設置為基準->船初始方向。

c) 激活使用質心。

先前創建的坐標系定義體的初始方向。

8. 選擇船 > 初始值 > 方向節點，然后將坐標系設置為基準->船初始方向。

為保持一致，還需要在同一坐標系中指定質心。由于位置在原點，因此只需定義坐標系。

9. 要指定質心的坐標系，選擇船 > 初始值 > 質心節點，然后將坐標系設為基準->船初始方向。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，該體必須可以沿 Z 軸方向平移（升降），沿 Y 軸方向轉動（俯仰）。

10.選擇 DFBI > 6 自由度體 > 船 > 自由運動節點，然后勾選Z軸向運動和Y 軸向旋轉屬性。

8.定義VOF波

使用 Simcenter STAR-CCM+ 中的VOF波物理模型可定義瞬態邊界條件以模擬自由表面上的波。

VOF波模型依據用戶定義的波參數生成許多場函數。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。

1. 要創建VOF波，右鍵單擊連續體 > 物理 1 > 模型 > VOF 波 > 波節點，然后選擇新建 > 五階。

2. 將五階 Vof波1節點重命名為頂頭波。

3. 編輯頂頭波節點，然后設置下列屬性：

4. 選擇頂頭波 > 波長指定節點，并將波長設置為 6.0 m。

9.設置初始條件

使用與先前定義的 VOF 波關聯的場函數設置初始條件。

設置的初始條件是自由表面波分布、相內的速度分布以及流體靜壓。

要設置初始條件：

1. 編輯連續體 > 物理 1 > 初始條件節點，然后設置下列屬性：

10.設置邊界條件

此幾何有四個邊界：

1. 船體上的非滑移壁面邊界

2. Y = 0.0處的 Z-X 平面上的對稱邊界

3. 下游面上的壓力出口

4. 其余所有邊界上的速度入口

在最初的網格導入過程中已正確設置邊界類型，因此只需設置與各類型相對應的條件。默認條件適合對稱平面和船體上的非滑移壁面邊界。將波條件應用于壓力出口和速度入口。

入口邊界

頂頭波通過入口邊界進入模擬。使用場函數來定義此迎頭波。

要設置入口邊界：

1. 編輯區域 > Region_1 > 邊界 > 入口節點，然后設置下列屬性：

壓力邊界

頂頭波通過壓力邊界離開域。使用場函數定義邊界波。

要設置壓力邊界：

1. 編輯區域 > Region_1 > 邊界 > 壓力節點，然后設置下列屬性：

11.設置求解器參數和停止條件

由于本模擬是瞬態模擬，所以設置時間步、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。

1. 選擇求解器 > 隱式非穩態節點，然后將時間步設為0.01 s

2. 選擇停止條件 > 最大內部迭代節點，確保將最大內部迭代設置為5

3. 選擇停止條件 > 最大物理時間節點，將最大物理時間設置為2.0 s

12.創建自由表面等值面

對船體隨著時間的推移在迎頭波中的運動進行可視化是十分有益的。

要可視化此運動，可創建顯示具有自由表面的船體的標量場景，并在模擬的每個時間步將此場景作為圖形文件寫出。最終的文件集可用于生成自由表面和船體運動的動畫。要在標量場景中繪制水的表面繪圖，首先依據網格單元中水的體積分數來創建等值面：

1. 右鍵單擊衍生零部件節點，然后選擇新建零部件 > 等值面...。

2. 在創建等值面對話框中，將標量設為體積分數 > 水的體積分數。

3. 讓提取模式保持單值設置。

4. 將等值設置為0.5。

5. 選擇顯示面板中的現有顯示器 > 表面 1。

6. 單擊創建，然后單擊關閉

7. 將等值面節點重命名為水表面

13.創建自定義顏色映射

為使水表面呈現藍色以便于可視化，可創建自定義顏色映射。

將自由表面的顏色手動設置成統一的藍色。首先，在工具節點內創建一個自定義顏色映射：

1. 右鍵單擊工具 > 顏色映射節點，然后選擇新建。

2. 在創建顏色映射對話框中，單擊確定。

3. 將用戶1節點重命名為水。

4. 選擇工具 > 顏色映射 > 水節點，然后單擊編輯器圖標打開擬編輯的顏色映射屬性。

5. 單擊并拖動藍色控制點一直向右，以便顏色條完全呈藍色。

6. 將顏色間距設置為 RGB。

完成的對話框如下所示。

14.可視化自由表面

現在使用水表面零部件創建標量場景。

1. 右鍵單擊場景節點，然后選擇新建場景 > 標量。

2. 選擇場景 > 標量場景 1 > 輪廓1節點，然后停用輪廓。

3. 選擇標量 1 > 零部件節點，然后將零部件設置為衍生零部件 > 水表面。

4. 選擇標量場節點，然后將函數設置為體積分數 > 水體積分數。

a) 將剪切設置為關閉。

b) 將自動范圍設置為關閉。

c) 將最小值設為 0.5。

d) 將最大值設為 0.5。

此時可返回場景 > 標量場景 1 節點以完成對其屬性的設置。

5. 選擇場景 > 標量場景 1 > 標量 1 > 顏色條節點，然后將色圖設為水。

6. 禁用陰影。

7. 將層數設置為 2（因為水顏色圖中只有兩個點）。

8. 禁用可見，這是因為要將自由表面顯示為統一的顏色：不需要顏色條。

要提供船體的完整表示，需要做一些額外更改。

9. 選擇場景 > 標量場景 1 > 標量 1 節點，然后將輪廓樣式設為平滑填充。

10.打開專家屬性，將轉換設置為對稱 1。

為改進顯示效果，需要對標量場景照明做一些調整。

11.右鍵單擊場景 > 標量場景 1 > 屬性 > 照明節點，然后選擇選項頂部照明。僅第一個照明保持激活。

12.打開照明節點，選擇照明2節點。

13.激活照明2節點的啟用。

15.創建DFBI顯示器

將兩個顯示器添加到場景以顯示船的質心以及作用于船上的力和力矩。

1. 右鍵單擊場景 > 標量場景 1，然后選擇新顯示器 > DFBI

2. 選擇 DFBI 1 > 零部件節點，然后將零部件設置為6自由度體 > 船。

3. 選擇 DFBI 1節點，然后將不透明度設置為0.5

4. 將轉換設置為對稱 1。

船和顯示質心位置的圖標隨即出現。

5. 右鍵單擊場景 > 標量場景1，然后選擇新顯示器 > DFBI

6. 選擇 DFBI 2 > 零部件節點，然后將零部件設置為6自由度體 > 船 > 外力與力矩 > 流體力與力矩。

7. 選擇 DFBI 2 > 相對尺寸節點，然后將矢量圖形長度(%)設置為50

8. 選擇 DFBI2節點，然后將矢量長度設置為矢量幅值。

力和力矩是在運行過程中計算的。

16.導出場景動畫的圖像

準備自由表面動畫的最后一步是讓 Simcenter STAR-CCM+ 創建標量場景 1 每個時間步的硬拷貝。

1. 選擇場景 > 標量場景 1 > 屬性 > 更新節點，然后將觸發器設置為時間步。

2. 將輸出目錄設置為指向文件系統中可以保存多個圖像的適當文件夾。

3. 輸入水表面作為基本文件名屬性的值。從此場景中創建的圖像文件的文件名中均包含水表面。

4. 激活保存至文件。

此時，一個紅色星號出現在對象樹中的標量場景1節點的旁邊。

5. 選擇更新 > 硬拷貝節點，并設置以下屬性：

17.報告、監視和繪圖

在本模擬中使用報告監視器繪制船體隨著時間推移在入射波中的運動的動態響應圖。

1. 右鍵單擊報告節點，然后選擇新報告 > DFBI > 6 自由度體平移。

一個名稱為 6 自由度體平移 1 的節點出現在報告節點內。

2. 將 6 自由度體平移 1 節點重命名為 Z 軸向平移

3. 選擇 Z 軸向平移節點，然后將方向設置為 [0.0, 0.0, 1.0]。

創建第二個報告以監視圍繞 Y 軸的旋轉角度。

4. 右鍵單擊對象樹中的報告節點，然后選擇新報告 > DFBI > 6 自由度體方向。

5. 將 6 自由度體平移1節點重命名為Y軸向旋轉

6. 選擇 Y 軸向旋轉節點，然后將角度報告選項設置為旋轉Y軸。

依據這些報告創建監視器和繪圖。

7. 首先選擇報告 > Y 軸旋轉節點，然后在按下 Ctrl 鍵的同時，選擇Z軸平移節點。

8. 右鍵單擊節點并選擇選項根據報告創建監視器和繪圖

根據報告創建繪圖對話框隨即出現。

9. 選擇多繪圖（每一個報告一個繪圖）選項。

名稱分別為 Z 軸向平移監視器繪圖和 Y 軸向旋轉監視器繪圖的兩個新節點出現在繪圖節點下方。

打開與這些節點對應的繪圖進行預覽。

為這些繪圖提供數據的監視器的默認更新頻率是每個迭代更新一次。由于本模擬是非穩態模擬，因此最好每個

時間步（而非每個迭代）更新監視器一次。

10.打開模擬樹中的監視器節點，使用 Ctrl + 單擊方法同時選擇 Y 軸向旋轉監視器和 Z 軸向平移監視器節點。

11.在屬性窗口中，將觸發器設置為時間步。

18.初始化并運行模擬

為確認應用于邊界的初始條件正確，Simcenter STAR-CCM+ 允許先單純執行求解器初始化，然后使用適當的場景查看結果。

1. 要初始化，單擊工具欄中的 （初始化求解）按鈕或使用求解 > 初始化求解菜單項。

2. 選擇標量場景1窗口以查看初始化結果。使用鼠標鍵按下圖所示調整模型方向和尺寸。

在運行過程中，作用于半個船體的力（紅色）和力矩（藍色）矢量會被顯示出來。要顯示作用于另一半船體的矢量，啟用對稱轉換：

3. 選擇 DFBI2節點，然后將轉換設置為對稱1。

力矢量（極矢量）鏡像到對稱平面上。力矩矢量（軸矢量）保持其幅值，但因反射而改變方向。要清除作用于體的力或力矩，取消選擇 DFBI2節點屬性中的適當框。為減少場景混亂，本次運行中僅查看作用于一半船體的力和力矩。

4. 選擇DFBI2節點：

將轉換設置為標識。激活力和力矩。

5. 單擊工具欄中的 （運行）按鈕。

模擬結束時的 Y 軸向旋轉監視器繪圖如下所示。

19.可視化結果

2.0s后船體上的壓力分布被繪制在標量場景中。

1. 右鍵單擊場景節點，然后從彈出菜單中選擇新建場景 > 標量。

2. 將標量場景2節點重命名為 Hull Pressure(船體壓力)

3. 選擇場景 > Hull Pressure(船體壓力) > 輪廓 1 節點，然后停用輪廓。

所有可見的輪廓均從船體壓力屏幕中刪除。

4. 選擇 Hull Pressure(船體壓力) > 標量 1 > 零部件節點，然后單擊零部件屬性的右側。

5. 在出現的對話框中，展開區域和Region_1 節點。選擇船體節點，然后單擊確定。

6. 選擇 Hull Pressure(船體壓力) > 標量 1 > 標量場節點，然后將函數設為壓力。

7. 選擇 Hull Pressure(船體壓力) > 標量 1 節點，然后將輪廓樣式設為平滑填充。

8. 展開專家屬性，然后將轉換設置為對稱 1。

使用鼠標控制鈕按需要縮放場景和調整方向。船頭的細節圖如下所示。

20.總結

本教程演示如何使用具有自由表面流體的六自由度求解器對面臨頂頭波的船體運動建模。

本教程介紹了下列 Simcenter STAR-CCM+ 功能：

? 激活6自由度模型。

? 創建VOF波并將其用于初始和邊界條件。

? 使用衍生零部件獲取自由表面流體的可視化。

? 將瞬態模擬期間的標量場景的連續圖像寫入磁盤。

文章來源：CFD入門到精通