01介紹

在本案例中，我們將使用體積分?jǐn)?shù)法（VOF）開發(fā)一個軸對稱的液滴沖擊水平表面的計(jì)算模型，并將其與 Fujimoto等人論文“Three-dimensional numerical analysis of the deformationbehavior of droplets impinging onto a solidsubstrate”《液滴沖擊固體基底的三維數(shù)值分析》中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1：液滴撞擊壁面的變化過程

02目標(biāo)

本案例將展示在 STAR-CCM+中設(shè)置和運(yùn)行VOF多相流模型模擬的工作流程，具有以下主要步驟：（注：本案例建模是基于STAR-CCM+18.02版本進(jìn)行的）

l 幾何創(chuàng)建

l 零部件與網(wǎng)格設(shè)置

l 計(jì)算域設(shè)置

l 物理模型設(shè)置

l 邊界條件設(shè)置

l 必要的后處理

l 求解運(yùn)行

03幾何創(chuàng)建

1. 在工具 > 參數(shù)下創(chuàng)建一個參數(shù)，液滴直徑=0.56毫米。

2. 創(chuàng)建一個新的3D-CAD模型。

3. 在 XY 平面上創(chuàng)建一個草圖，如圖2所示。一個大小為1.5*液滴直徑的正方形。確保與坐標(biāo)原點(diǎn)對齊。

圖2：草圖

4. 將草圖拉伸 2.8e-6米。

5. 將部件命名為Fluid，表面命名如下圖。

圖3：零部件表面命名

04零件與網(wǎng)格設(shè)置

1. 從3D-CAD模型創(chuàng)建一個新的幾何部件。

2. 右鍵單擊Fluid part> 創(chuàng)建網(wǎng)格操作 > 網(wǎng)格 > 標(biāo)記用于2D網(wǎng)格劃分。

3. 右鍵單擊Fluid part > 將部件分配到區(qū)域 > 為每個部件表面創(chuàng)建單獨(dú)的邊界 > 應(yīng)用。

4. 設(shè)置邊界條件

l Fluid：軸-軸

l 流體：出口 - 壓力出口

5. 右鍵單擊Fluid part > 創(chuàng)建網(wǎng)格操作 > 自動化網(wǎng)格。

6. 選擇網(wǎng)格模型 > 表面重新網(wǎng)格化器和Trimmer網(wǎng)格生成器。

7. 設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)如下：

l 基礎(chǔ)尺寸 = 2.8e-6 米

l Zui小表面尺寸 =  

l 單元尺寸 =

05物理模型設(shè)置 

1. 創(chuàng)建一個新的物理連續(xù)體并選擇以下模型：

l 軸對稱

l 隱式非穩(wěn)態(tài)

l 歐拉多相

l 體積分?jǐn)?shù)

l 層流

l 重力

2. 在歐拉多相下，創(chuàng)建兩個相：

l 水-液體，恒定密度，層流

l 空氣-氣體，恒定密度，層流

3. 在多相相互作用下，創(chuàng)建一個相間相互作用并添加：

l VOF-VOF相間相互作用 > 設(shè)置主相 > 水和次相 > 空氣

l 表面張力

l 界面動量耗散

06物理屬性設(shè)置

將對應(yīng)物理屬性設(shè)置如下：

07初始條件

在工具 > field functions場函數(shù)下創(chuàng)建以下字段函數(shù)。 

使用 InitialCondition_Water 和 InitialCondition_Air 場函數(shù)指定初始條件

在工具 > 參數(shù)下創(chuàng)建一個參數(shù) > impact_velocity = 2.7 米/秒

設(shè)置初始速度規(guī)格 > 組合 > 設(shè)置 X 分量速度 > -1*${impact_velocity}

08計(jì)算域設(shè)置

邊界類型如下： 

在壁面邊界下 > 相條件如圖所示選擇 Kistler模型用于接觸角設(shè)置，并將前進(jìn)接觸角和后退角分別設(shè)置為 110 度和 35度。這些值基于Fujimoto等人給出的實(shí)驗(yàn)測量值。

09后處理設(shè)置

派生部件

創(chuàng)建一個新閾值部件，規(guī)格如下：

l 名稱 - 閾值 - 界面

l 輸入部件 – Fluid

l 標(biāo)量場 - 水的體積分?jǐn)?shù)

l 范圍 - [0.05,0.95]

l 模式 - 介于

報(bào)告

按以下規(guī)定創(chuàng)建報(bào)告：

l 值報(bào)告 - 當(dāng)前液滴直徑

l 名稱 - D

l 輸入部件 - 閾值 - 界面

l 字段函數(shù) - 重心 [Y

圖4：液滴直徑D和高度h表示

l 表達(dá)式報(bào)告 - 無量綱直徑

l 名稱 - D/D_P

l 定義 - 2*DReport/{droplet_diameter}

l 值報(bào)告 - 當(dāng)前液滴高度

l 名稱 - h

l 輸入部件 - 閾值 - 界面

l 字段函數(shù) - 重心 [X]

l 表達(dá)式報(bào)告 - 無量綱高度

l 名稱 - h/D_P

l 定義 - hReport/{droplet_diameter}

l 表達(dá)式報(bào)告 - 無量綱時間

l 名稱 - tau

l 定義 - Time?({impact_velocity}/${droplet_diameter})

繪圖

從報(bào)告創(chuàng)建繪圖

l 選擇 D/D_P 和 h/D_P 報(bào)告 > 右鍵單擊 > 從報(bào)告創(chuàng)建監(jiān)視器和繪圖 > 選擇單個繪圖

l 將繪圖重命名為液滴直徑和高度 - 時間演變

l 選擇 tau > 右鍵單擊 > 從報(bào)告創(chuàng)建監(jiān)視器

l 在繪圖的屬性下 > 將 X 軸監(jiān)視器設(shè)置為 tau 監(jiān)視器，如圖所示 

l 在工具 > 表 > 右鍵單擊 > 新建表 > 文件表 > 瀏覽 VOF - WS -液滴沖擊文件夾中的以下文件 - d_Dp.csv & h_Dp.csv

l 右鍵單擊繪圖下的數(shù)據(jù)系列節(jié)點(diǎn) > 添加數(shù)據(jù) 

l 在彈出的對話框中，選擇 d_Dp 和 h_Dp 

l 在數(shù)據(jù)系列下 > d_Dp > 將線樣式設(shè)置為無，符號樣式設(shè)置為實(shí)心圓。對 h_Dp 重復(fù)此操作。

場景

l 通過右鍵單擊場景節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個網(wǎng)格場景。您應(yīng)該看到正方形域中的均勻笛卡爾網(wǎng)格。

l 創(chuàng)建標(biāo)量場景 >將標(biāo)量場設(shè)置為水的體積分?jǐn)?shù)。初始化后，您應(yīng)該看到半個液滴，因?yàn)榇四Ｐ驮O(shè)置為軸對稱問題。您將如何僅為了可視化而獲得液滴的另一半？（提示：圖形變換）

圖5：水的體積分?jǐn)?shù)

10求解器設(shè)置 - 自適應(yīng)時間步長

解決自由表面需要我們規(guī)定一個滿足 CFL 準(zhǔn)則的自適應(yīng)時間步長。為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)時間步長，按照以下步驟操作：

1. 創(chuàng)建一個新的標(biāo)量場函數(shù)

名稱 - timestep_CFL

定義 - (1*2.8e-6)/mag($${Velocity})

2. 創(chuàng)建一個Zui小值報(bào)告

名稱 - Minimum_CFL_timestep

輸入部件 - 閾值 - 界面

字段函數(shù) - timestep_CFL

3. 創(chuàng)建一個表達(dá)式報(bào)告

名稱 - 時間步長

定義 - TimeLevel>0?{Minimum_CFL_timestepReport} : 1e-8

在求解器 > 隱式非穩(wěn)態(tài) > 時間步長 > ${TimeStepReport}

11停止標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行

1. 在監(jiān)視器下 > 選擇 tau 監(jiān)視器 > 右鍵單擊 > 從監(jiān)視器創(chuàng)建停止標(biāo)準(zhǔn)

2. 在停止標(biāo)準(zhǔn)下 > tau 監(jiān)視器標(biāo)準(zhǔn) > 將標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)設(shè)置為值 > 將值設(shè)置為 4.2現(xiàn)在模擬設(shè)置已完成，可以運(yùn)行。在文件菜單 > 解決方案 > 運(yùn)行

12計(jì)算結(jié)果

無量綱直徑和高度隨無量綱時間的變化圖。結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。 

滴液變化過程的動畫如下所示。