自由液面模擬的案例
COMSOL 軟件建模教程：如何模擬自由液面 (一)
COMSOL Multiphysics? 軟件提供了四種可用于模擬自由液面的方法：水平集、相場、動網格和穩態自由表面。作為系列博客的第一節，我們將討論水平集和相場法，這兩種基于場的方法幾乎可以描述任何類型的自由液面。在第二節中，我們計劃將本文的求解結果與通過動網格接口獲得的結果進行比較。
何為水平集和相場法？
水平集和相場法都是基于場的方法，這類方法將自由液面表征為水平集或相場函數的等值面。自由液面對應固定網格框架下的液體和氣體之間的相分界面。
下圖為管道內兩顆液滴的表面，摘自附加產品“微流體模塊”的“案例庫”所提供的液滴破碎模型。從這張圖中可以看出，盡管液滴的表面非常明顯，但液滴周圍的單元并沒有貼合到液滴表面上。
不管采用水平集方法還是相場法，液滴表面與單元表面都不貼合。
水平集和相場函數都是由納維-斯托克斯方程計算的速度矢量進行對流傳輸的。在水平集和相場法中，對應公式為：
(1)
需要注意的是，水平集和相場函數都使用了 Φ。二者的不同在于方程右側的 F。在初始水平集方法中 F = 0，因此得到純對流傳輸方程。然而當 F = 0 時，數值解不僅不穩定，而且大部分情況下實用性很小。所以為了保持相界面清晰，我們在水平集方法的 F 中添加了高階導數項 Φ 。
在相場法中，F 代表設法將系統的自由能最小化的項。此項也引入了高階導數 Φ。實際上，相場方程中的源項中包含了四階項。這意味著，出于實用性考慮，方程經常被分解為兩個方程，與此同時，輔助因變量被定義為 Φ 的二階導數函數形式。COMSOL Multiphysics 中也采取了這種做法。
兩種方法均將自由液面的表面張力引入到納維-斯托克斯方程的源項中。水平集方法利用表征自由邊界的水平集等值面的曲率來描述表面張力。
展開 COMSOL 軟件建模教程：如何模擬自由液面 (二)
此外，COMSOL Multiphysics 中的動網格方程無法處理自由液面的拓撲變化，比如破碎波。
在某種程度上，相比于水平集和相場法，利用動網格方法為自由液面建模顯得更加簡單干脆，因為如前文所述，我們可以直接將表面張力及其他表面力用作邊界條件。不求解自由液面上方空氣域內的流體流動有利于大大提高計算速度，因為納維-斯托克斯系統的自由度數量幾乎減少到基于場的方法的一半。在這種情況下，我們之所以忽略空氣域的影響，是因為水和空氣的密度與動力粘度比值很大。所造成的差異將在下一節中詳述。
比較動網格與相場法的結果
下圖比較了分別使用動網格與相場法計算的自由液面。我們可以看到兩種方法的結果非常一致，自由液面的形狀和速度場的流線都很相似。
不過模型并非完全相同。在相場法的案例中，自由液面上方的空氣域在液面上產生了微小的阻尼效應，而動網格案例中不存在空氣域，并且液面只“看見”流體表面上氣壓恒定不變。換句話說，動網格案例中的自由液面不必移動空氣，并且可以利用這種能量使水波更高，表面波動更大。
使用兩相流動網格接口（左）和相場方法（右）計算得到的不同時間下的自由液面形狀和速度場。
下方動畫展示了利用動網格方法求得的動態自由液面，我們可以將它與上一篇中只用相場法生成的動畫作比較。可以清晰地看到，與相場動畫相比，自由液面的波動幅度更大，反應也更快。這可能是因為動網格中沒有空氣域，而水平集和相場方法中的空氣域會阻礙自由液面運動。
利用動網格方法獲得的自由液面動畫。
我們還可以將默認的自由液面動網格功能與兩相流動網格 接口進行比較，后者能夠分析液相和氣相的流場。可以看到，不管是包含兩相的動網格，還是相場法，流場和速度矢量的大小都非常相似。對于三種情況（動網格、相場及包含兩相的動網格），自由液面的形狀均相似，但是在此例中，兩個動網格案例所對應的形狀更加相似。
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VOF模擬車體內自由液面震蕩
自學無網格粒子Particleworks流體飛濺和自由液面仿真分析
設計不同的Screen間隔，確定合適的斷路器方案：
泥石流流動過程模擬
9、消費品：化妝品的混合模擬
化妝品各配料流體屬性、摻混比例是否合理，一般是在試驗室中完成研發，但是在實際的生產過程中，由于攪拌設備、生產條件的差異，會使最終產品和試驗室研發產品有差別。為了在生產過程中很好的評估產品的混合效果，可以利用Particleworks進行數值模擬對攪拌設備完成優化。
攪拌設備
對攪拌設備進行仿真，并且完成與試驗結果的對比驗證：下圖是攪拌轉速為90rpm時，化妝品攪拌過程中自由液面狀態的對比：
攪拌過程對比
同時，在不同液體、不同混合體積的條件下，對比攪拌時自由液面的深度：
自由液面深度對比
通過上述驗證試驗表明，Particleworks可以很好模擬攪拌設備的攪拌過程。在此基礎上，對2種不同攪拌葉片的攪拌性能進行仿真對比，完成攪拌設備的升級、選型。
不同攪拌設備攪拌過程對比
10、醫療行業：吞咽模擬
輔食對于病人、嬰兒、老人等弱勢人群都是很重要的食物，為避免食用過程中發生窒息的風險，需要了解、預測此類人群吞食輔食的過程，提前規避風險；可以基于Particleworks完成3D-吞咽模型模擬整個過程。
3D-吞咽模擬器
Particleworks軟件中，構建3D-吞咽的模型，輔食可以設置為非牛頓流體；調整輔食的粘度，對比不同稠度的輔食在人體食道中的流動過程。通過觀察輔食流動是否是成一簇的形態，評估合適的稠度。
軟件模擬結果
作者：無網格粒子 仿真 xiu專欄作者
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STARCCM 攪拌器自由液面仿真模型 ￥50
攪拌器槳葉高速旋轉帶來的漩渦，部分樣式攪拌雖然可以通過公式估算，但更多的攪拌器需要通過仿真方式來獲得。
該案例采用STAR-CCM+2402版本軟件，通過內置的參數化建模工具3DCAD構建了整個模型，運用剛體運動和多相流VOF模型相互結合，通過瞬態求解的方式，獲得攪拌器漩渦的發展變化過程，為后續攪拌器設計以及參數選擇提供參考。
可以通過分析模型文件，獲得求解思路。
包含兩個模型文件，其中之一為中心攪拌，另一為偏置攪拌。可以通過求解獲得歷史文件，然后生成動畫。
Xflow兩相流自由液面
1 關于Kernel 3d/2d
在xflow環境設置，首先需要設定模擬問題為2維還是3維，就是通過kernal 3d/2d來完成的。3d沒有好描述和說明的，特別說明2d的設置和應用，其實2d的應用最好還是在自由表面中的應用較多（xflow計算案例，例如Rayleigh-Taylor不穩定性、液滴、噴墨等），2d是在3d基礎上去掉寬度方向計算，在xflow中即設定計算平面為x-y（z=0）平面二維模型。X為模型長度，y為模型高度。
2. 原則
在用xflow solver求解自由表面問題時，無論二維還是三維計算模擬，必須保證模擬模型的垂直方向和Y-axis完成平行一致，因為xflow求解器默認y-axis為最佳液面高度定義方式。
3. Free surface external
流體水槽默認按照X軸流動，-x /+y默認為流體域入口，+X為出口，-Y為地面，-z/+z為對稱循環。需要設定的值：
入口的初始速度（velocity law at the inlet）
水流初始表面(water initial surface)
入口水表面函數（water inlet wave function）表示出口處自由表面的位置，其可以為常數或者為時間的函數。
設置最直接的方式就是水槽及表面邊界條件導向功能來設置上面的所有值，包括虛擬模
擬水槽的大小設置。
圖3-1 自由表面水波設置向導
如圖3-1向導圖所示，需要設置的參數有水槽的長度、高度、寬度、水槽內水深度、水流動速度、水波幅度、水波頻率。
設置完后在環境設置相應相就自動生成函數表達式，當然每個參數也可以根據需要自定義相關特殊函數表達式。
對于五階斯托克斯模型請參考相關手冊和專業書籍。
4.
展開 基于comsol的自由液面的斜坡斜圓柱繞流仿真 ￥1870
</p><p><img src="https://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/dialogs/attachment/fileTypeImages/icon_rar.gif"><a href="https://oss.jishulink.com/upload/201909/d84bfa0e6ec74171ba71a2033455184b.rar" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="color: rgb(0, 102, 204);">自由液面繞流.rar</a></p><p><br></p><p>利用comsol的兩相流：</p><p>1、繪制幾何，1度的斜坡，45度的斜圓柱。 以及上下空氣層與水層。</p><p>2、入口流速，依靠重力加速</p><p>3、水流繞流圓柱，再圓柱背后留下穩定的水坑。</p><p>4、可以對比不同的圓柱傾斜角度，水層厚度帶來的 阻力系數的變化。
展開 CEL方法模擬液面晃動（step-by-step）
液面晃動動畫如下。
DYNA模擬液面變化的問題（附K文件）
液面.rar
重疊網格+6自由度(6DOF)模擬側風作用(低風速)下的圓柱自由落體 ￥30
重疊網格+6自由度(6DOF)模擬側風作用(低風速)下的圓柱自由落體
Adams模擬單自由度系統強迫振動
Adams模擬單自由度系統強迫振動
本文通過Adams模擬彈簧—質量—阻尼單自由系統，觀察系統的變化規律。首先假設系統質量m=20kg，彈簧剛度k=8kN/m，阻尼c=130N.s/m，作用在質量上的激勵為F(t)=24sin(15t) N。同時t=0時，x(0)=0，v(0)=0。
simufact自由鍛拔長擴孔模擬舉例說明
最近一段時間經常遇到人問我自由鍛拔長、擴孔等工藝采取什么樣的模擬軟件進行模擬比較好，其實選用什么軟件不重要，重要的是，你能否用這些軟件做出相應的東西。并且得出滿意的結果。通過計算結果對實際的工藝制定起到一定的指導。而仿真模擬在自由鍛方面起到的幫助作用尤為明顯，一些大型的自由鍛件往往都是好幾十噸，甚至上百噸。如果廢掉一個，光是材料的成本就是好幾百萬。還不說之前的鑄造、熱處理等工藝耗費的人力物力。因此在大型自由鍛件的實際生產之前，我們往往需要對工藝過程進行仿真模擬。但是現在的軟件很多，本來自由鍛就涉及到多工步的加工，往往是旋轉、進給、下壓等多個過程復合到一起的復雜過程，如果選擇通用的marc、abaqus、ansys等軟件，有限元模型的建立就比較復雜了。當然現在有很多專業的鍛造軟件也可以實現自由鍛的工藝仿真，可是這么多軟件，我們該如何選擇呢？到底選擇哪種軟件能滿足我們需要的功能呢？我們這里主要對simufact軟件自由鍛功能進行說明，其它的軟件平時用得也少，在自由鍛方面的功能相對較弱。就不做詳細描述了。大家有興趣可以自己摸索一下。
1、首先是最常見的自由鍛-拔長工藝
一般國內目前使用的設備多為一個操作機，兩個操作機的設備較為少見。而采用deform軟件的cogge模塊是無法實現一個操作機的自由鍛模擬。這就給廣大的工藝人員帶來了一定的麻煩，如果想用deform來對一個操作機的自由鍛過程進行模擬仿真，只能通過不斷地重新建模來一步步的對整個工藝進行模擬。這也是我個人比較推薦大家采用simufact軟件做自由鍛的原因之一。下面來看看simufact對一個操作機和兩個操作機自由鍛-拔長工藝的后處理動畫。
由圖可以看出，自由鍛拔長工藝不像傳統的模鍛工藝一樣，只需要一次下壓，自由鍛工藝過程復雜得多，一般在坯料溫降后，還需要重新加熱，然后再次進行拔長。
展開 simufact自由鍛拔長擴孔模擬舉例說明
最近一段時間經常遇到人問我自由鍛拔長、擴孔等工藝采取什么樣的模擬軟件進行模擬比較好，其實選用什么軟件不重要，重要的是，你能否用這些軟件做出相應的東西。并且得出滿意的結果。通過計算結果對實際的工藝制定起到一定的指導。而仿真模擬在自由鍛方面起到的幫助作用尤為明顯，一些大型的自由鍛件往往都是好幾十噸，甚至上百噸。如果廢掉一個，光是材料的成本就是好幾百萬。還不說之前的鑄造、熱處理等工藝耗費的人力物力。因此在大型自由鍛件的實際生產之前，我們往往需要對工藝過程進行仿真模擬。但是現在的軟件很多，本來自由鍛就涉及到多工步的加工，往往是旋轉、進給、下壓等多個過程復合到一起的復雜過程，如果選擇通用的marc、abaqus、ansys等軟件，有限元模型的建立就比較復雜了。當然現在有很多專業的鍛造軟件也可以實現自由鍛的工藝仿真，可是這么多軟件，我們該如何選擇呢？到底選擇哪種軟件能滿足我們需要的功能呢？我們這里主要對simufact軟件自由鍛功能進行說明，其它的軟件平時用得也少，在自由鍛方面的功能相對較弱。就不做詳細描述了。大家有興趣可以自己摸索一下。 1、首先是最常見的自由鍛-拔長工藝 一般國內目前使用的設備多為一個操作機，兩個操作機的設備較為少見。而采用deform軟件的cogge模塊是無法實現一個操作機的自由鍛模擬。這就給廣大的工藝人員帶來了一定的麻煩，如果想用deform來對一個操作機的自由鍛過程進行模擬仿真，只能通過不斷地重新建模來一步步的對整個工藝進行模擬。這也是我個人比較推薦大家采用simufact軟件做自由鍛的原因之一。下面來看看simufact對一個操作機和兩個操作機自由鍛-拔長工藝的后處理動畫。
由圖可以看出，自由鍛拔長工藝不像傳統的模鍛工藝一樣，只需要一次下壓，自由鍛工藝過程復雜得多，一般在坯料溫降后，還需要重新加熱，然后再次進行拔長。
展開 基于v2-f 湍流模型模擬強自由渦流
本案例基于COMSOL軟件的v2-f湍流模型模擬了旋流器內的強渦流運動，仿真結果如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎交流
deform自由鍛到碾環工藝全過程模擬
對于模擬來說也是一個新的要求和新的注意事項。
自由鍛到碾環全過程模擬.mp4
