自由液面捕捉的案例
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
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. Free surface internal
內部自由表面流動，需要用戶去定義各個外部表面邊界條件和初始液位高度。
5.
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VOF模擬車體內自由液面震蕩
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。
展開 
自學無網格粒子Particleworks流體飛濺和自由液面仿真分析
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
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 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 二維波浪水槽以及波浪傳播變形的數值模擬（附詳細步驟）
為了更好地捕捉到自由液面（及水氣交界面）并得到水底流場的變化情況，在水平面處進行網格加密，且水下網格的整體尺寸小于空氣網格的尺寸。網格節點加密時主要通過Exponential2和BiGeometric兩種劃分原則，使節點呈不均勻分布。圖2是劃分結構化網格時的Block分布。
圖3是入口處的截圖，可以明顯看到網格的分布情況，其中上部分為空氣，下部分為水，中間是自由液面。
圖2 Block分布
圖3 入口處網格分布
一共有133272個單元，圖4是網格總體質量分布圖，網格質量基本接近于1，說明網格總體的質量較好。圖5是網格長寬比值的分布，其中單元的最大長寬比為11.4，最小長寬比2.08，長寬比越接近于1越好，最好不要超過18，所以網格質量符合計算的要求。
圖4 網格總體質量
圖5 網格長寬比值分布
三、Fluent計算過程設置
整個過程采用瞬態分析，由于本文中y為豎直方向，所以在y方向施加重力加速度9.81m/s^2。波浪自由液面的捕捉采用VOF方法，主要通過求解流體體積輸運方程，前面已給出方程形式。總體為兩相流模型，所以整個模型只有水相和氣相。然后借用明渠模型進行造波，體積分數參數方程采用隱式算法，體積力方程中采用隱式體積力，設置過程如圖6所示。
圖6 通用設置和VOF設置
湍流模型選用RNG k-epsilon兩方程模型。壁面函數選用Scalable Wall Function，該壁面函數對于任意細化的網格，能給出一致的解。空氣的密度為1.225kg/m^3；水的密度為998.2kg/m^3，動力粘度為0.8937kg/(m·s)。
圖7 湍流模型和材料參數設置
相設置中，空氣為主相，水為次相。
展開 VirtualFlow | LNG運輸船液艙晃蕩及安全仿真
液艙繞原點做正弦擺動，晃蕩過程中會出現自由面翻卷、破碎和融合，為有效捕捉界面流動現象，采用VirtualFlow軟件IST/BMR網格技術將自由面可能到達的區域進行了網格細化，如圖3所示。液面變化采用Level Set方法來捕捉。
圖3 VirtualFlow液艙運動及網格細化效果
針對液艙運動，VirtualFlow軟件獨特的浸入表面網格技術（IST）可將幾何表面嵌入到笛卡爾網格中，同時，幾何模型的運動可通過在靜止的計算域網格內定義浸入幾何的運動軌跡來實現，網格不需隨固體幾何運動，因此不需要使用動網格即可定義液艙的運動軌跡。
在求解時，固體的外邊界由符號距離函數Ф = 0來表示，Ф < 0為流場，Ф > 0為固體內部，固體擁有自己的熱物理性質。當固體與液體耦合運動時，隨著固體的移動，距離函數也會不斷的修正。
展開 二十七、6DOF石子自由落體入水
wx_fmt=png"></p><p class="ql-align-center"><span style="color: rgb(0, 0, 0);"> </span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">涉及到空氣和水，因此使用多相流模型，選擇VOF模型用于捕捉自由液面。其余設置保持默認即可。</span></p><p><br></p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy8s70YmDGQCzxlYCtfjo42tBZdAuKXticJBDuuY6ETFciaSXBPKst4KRm5ArYr0zB8YjYNE9HwSYZtw/640?wx_fmt=png"></p><p class="ql-align-center"> </p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">湍流模型使用標準的k-e模型</span></p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy8s70YmDGQCzxlYCtfjo42tsWpPnbe9FbFib1xVHP3J0nMiaiczMOSbnup265R1atL9wkNUQqq00JWEQ/640?
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