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由粒子再現(xiàn)水滴的飛濺 通過流體體積率的輸送來捕捉自由表面的VOF 法，要表現(xiàn)水 面上飛濺的水滴是困難的。 本研究中，由波浪產(chǎn)生的水花以 質(zhì)量粒子來再現(xiàn)。

&nbsp;界面穩(wěn)定性問題分析</strong></p><p>在VOF方法中，界面穩(wěn)定性是多相流模擬的核心問題之一。界面捕捉的穩(wěn)定性直接影響模擬結(jié)果的物理準(zhǔn)確性，尤其在處理復(fù)雜界面形變、表面張力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)以及高密度比流體時(shí)，數(shù)值誤差可能導(dǎo)致非物理現(xiàn)象。以下是界面穩(wěn)定性中兩個(gè)主要問題的分析：<strong>數(shù)值擴(kuò)散</strong>和<strong>表面張力偽速度</strong>。

波浪云圖表面壓力云圖

VOF方法與LS方法作為目前最為流行的兩種多相流自由表面捕捉方法，二者應(yīng)當(dāng)在充分收斂的計(jì)算條件下得到流動(dòng)規(guī)律與仿真質(zhì)量相對(duì)一致的結(jié)果。然而，在文獻(xiàn)中，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于分別采用VOF和LS方法的水平管道中的兩相流動(dòng)的數(shù)值仿真，得到的仿真結(jié)果之間似乎存在明顯的差異。

3.4 模型設(shè)置并開啟VOF多相流模型。VOF模型設(shè)置如下，并開啟表面張力，水的表面張力系數(shù)定義為常數(shù)0.072。湍流模型選擇k-e模型。3.5 圓柱運(yùn)動(dòng)設(shè)置對(duì)前景網(wǎng)格進(jìn)行運(yùn)動(dòng)設(shè)置，采用網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的方式，本案例以實(shí)驗(yàn)中的0.5124m/s展開計(jì)算。具體的輸入如下圖所示。

8.定義VOF波使用 Simcenter STAR-CCM+ 中的VOF波物理模型可定義瞬態(tài)邊界條件以模擬自由表面上的波。VOF波模型依據(jù)用戶定義的波參數(shù)生成許多場(chǎng)函數(shù)。可在對(duì)象樹的適當(dāng)節(jié)點(diǎn)中將這些場(chǎng)函數(shù)用作邊界和初始條件。1. 要?jiǎng)?chuàng)建VOF波，右鍵單擊連續(xù)體 > 物理 1 > 模型 > VOF 波 > 波節(jié)點(diǎn)，然后選擇新建 > 五階。2.

船體需要捕捉的最小幾何特征為0.4mm，但不是特別關(guān)鍵位置，因此設(shè)置最小尺寸為0.2mm即可；對(duì)船體表面添加局部尺寸，控制最大尺寸為32mm；對(duì)船體近場(chǎng)流場(chǎng)網(wǎng)格和自由液面處網(wǎng)格進(jìn)行加密，以捕捉船興波的變化，為避免網(wǎng)格量過大，從近到遠(yuǎn)分為3個(gè)加密等級(jí)；船體表面添加5層邊界層。

雖然創(chuàng)建6 自由度體時(shí)已配有自由運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)，但仍需要為體指定可以使用的移動(dòng)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(zhuǎn)（俯仰）。（6）創(chuàng)建VOF波；VOF波模型生成多個(gè)場(chǎng)函數(shù)，這些場(chǎng)函數(shù)基于用戶定義的波參數(shù)。可在對(duì)象樹的適當(dāng)節(jié)點(diǎn)中將這些場(chǎng)函數(shù)用作邊界和初始條件。要?jiǎng)?chuàng)建VOF 波。

同樣的方式設(shè)置空氣相，選擇氣體和恒密度模型，定義完的歐拉相如下：（6）設(shè)置VOF波；在模擬期間，自由表面水位隨時(shí)間的變化而變化。 STAR-CCM+ 提供可讓您指定波初始條件和邊界條件的 VOF波模型。此處，在靜水中拖曳船。

同樣的方式設(shè)置空氣相，選擇氣體和恒密度模型，定義完的歐拉相如下：（6）設(shè)置VOF波；在模擬期間，自由表面水位隨時(shí)間的變化而變化。 STAR-CCM+ 提供可讓您指定波初始條件和邊界條件的 VOF波模型。此處，在靜水中拖曳船。

</p><p><br></p><h2>2、VOF方法</h2><p>在VOF方法中，用來劃分兩相界面的函數(shù)是體積分?jǐn)?shù)α，表示的是單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的液體體積與這個(gè)網(wǎng)格總體積的比值。

圖3 六面體網(wǎng)格 模擬計(jì)算在Fluent中完成，兩相流模型采用VOF進(jìn)行處理，能夠較好的模擬自由液面的形變。湍流模型采用RNG k-epsilon湍流模型。該模擬中相關(guān)設(shè)置如圖4所示，該問題的主要復(fù)雜點(diǎn)在于網(wǎng)格的處理和Fluent中設(shè)置和參數(shù)的選擇。

其中，VOF方法處理流動(dòng)界面 時(shí)依賴網(wǎng)格的細(xì)化程度，對(duì)復(fù)雜尖銳界面的模擬效果并不理想，但計(jì)算過程中滿足質(zhì)量守恒；Level Set方法處理復(fù)雜界面的能力強(qiáng)，其自由表面的追蹤精度遠(yuǎn)高于VOF方法，但每一個(gè)時(shí)間步都要重新初始化LS函數(shù)，這會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量不守恒。

1.4 模型設(shè)置采用k-w SST 湍流模型，并開啟VOF多相流模型。VOF模型設(shè)置如下，并開啟表面張力，水的表面張力系數(shù)定義為常數(shù)0.072。1.5 網(wǎng)格標(biāo)記本案例中，水與空氣在罐體中各占一半。因此將罐體下半部分網(wǎng)格進(jìn)行標(biāo)記。1.6 初始化設(shè)置進(jìn)行初始化，相2的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0。進(jìn)行局部初始化，將罐體賦予水相。

此外，由于潰壩問題涉及自由表面運(yùn)動(dòng)，常常需要引入專門的自由表面捕捉技術(shù)，如體積法（Volume of Fluid，VOF）或水平集法（Level Set Method）等。

wx_fmt=png&amp;from=appmsg"></p><p><strong>2.4&nbsp;模型設(shè)置</strong></p><p>采用<em>k-w&nbsp;SST</em>&nbsp;湍流模型，并開啟VOF多相流模型。VOF模型設(shè)置如下，開啟open channel flow和open channel wave bc模型。

2.5 模型設(shè)置采用k-w SST 湍流模型，并開啟VOF多相流模型。VOF模型設(shè)置如下，并開啟表面張力，水的表面張力系數(shù)定義為常數(shù)0.072。2.6 初始化設(shè)置進(jìn)行初始化，相2的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0。3 后處理設(shè)置通過mesh與contours添加后處理云圖。

1 數(shù)學(xué)模型1.1 控制方程OpenFOAM中的interFoam求解器可以求解2個(gè)不可壓縮相的雷諾平均Navier-Stokes方程，包括連續(xù)性方程(公式1)和動(dòng)量守恒方程(公式2),并通過VOF(volume of fluid)方法捕捉自由表面的運(yùn)動(dòng)。