6DOF石子入水模拟：自由落体运动的流体动力学分析

1.概念介绍

对于动网格，存在一类问题，边界的运动并不是人为主动驱动的，而是通过外力如重力、水流被动推动的。这类问题需要使用6DOF方法来求解。6DOF是指物体存在六个自由度，即三个方向的平动和转动。  

2.模型描述

模型如图所示，石子用方形边界wall_in表示，红色区域为空气，蓝色区域为水。石子尺寸0.04m*0.04m，距水面1m，在重力的作用下，以9.8m/s2的加速度下落，后进入水中。石子在自由落体和水中运动时受到重力和浮力的作用，因此使用6DO模型进行求解。

3.基本设置

1) 导入网格：

使用Fluent软件打开Chapter27.msh.gz网格文件，文件在本文末尾链接资源内。

2) 检查网格尺寸

General → Scale mesh 确认网格单位为m

3) 求解器设置

由于动网格，必须瞬态；石子自由落体，因此勾选重力，加速度方向为y轴负向，因此为-9.81m/s2

4.设置计算模型

涉及到空气和水，因此使用多相流模型，选择VOF模型用于捕捉自由液面。其余设置保持默认即可。

湍流模型使用标准的k-e模型

5.材料设置

添加液态水材料

在Materials下，单击Create/Edit...，弹出如下面板。

Materials → Create/Edit...

单击Fluent Database，选择water（liquid），单击copy，然后单击close，water材料添加成功

6.边界条件

单击信息树Boundary Conditions，

所有边界均设置为wall边界

7.设置动网格

单击信息树Dynamic Mesh，勾选Dynamic Mesh，

1) Smoothing和Remeshing设置：

在Mesh Methods栏下勾选Smoothing和Remeshing，单击Settings，勾选Diffusion（关于扩散光顺的使用，详见chapter），具体参数保持默认。

在上述界面选择Remeshing，勾选Local Cell，Parameters下点击Default，并将Maximum Length Scale栏的0.079311改为0.059311，单击ok

2) 6DOF设置：

在Dynamic Mesh界面的Options栏勾选Six DOF，点击单击Settings，弹出如下界面。

y方向设置-9.81m/s2重力加速度。

单击Create/Edit，弹出6DOF属性设置界面

Name输入stone，勾选One DOF Translation，只进行平动，One DOF-Direction在y栏输入1，表示只在y方向平动。单击Creat。此例自由落体的6DOF不需要使用UDF设置，一般复杂的6DOF需要使用UDF设置，UDF能够使用更加复杂的功能。

3) Dynamic Mesh Zone设置：

在Dynamic Mesh Zone栏下，单击Create/Edit，弹出运动边界设置。

Zone Names选择wall_in，Type选择Rigid Body，其它保持默认设置。单击Create，生成运动区域。

8.求解方法

监视器设置

Solution → Reports → Definitions → New → Surface Report → Mass Flow Rate

创建一个监视器，用于监控出口流量

Name名称任意，勾选Report File、Report Plot和Print to Console。Report File表示生成一个用于存储出口流量数据的文件，Report Plot表示窗口显示流量曲线图，Print to Console表示流量数据会在控制面板打印出来。

Solution Controls设置保持默认

9.初始化

1) 标准初始化

选择标准初始化，为了进行patch water区域，在water Volume Fraction输入0，其他的默认，单击Initialize，完成初始化。

2) 标记patch Region

下面需要进行patch操作，在patch之前需要标记要patch的区域

Domain-Adapt-Refine/coarsen-cell registers-New-Region

至此，与17.0版本界面相同。

按上图输入数值，x min和y min输入-1，x max输入1，y max输入0，单击save/Display可显示标记的计算域下半部分区域。

3) Patch water区域

在初始化界面下单击patch，只有初始化之后，patch按钮才可用

按上图设置，Phase选择water，Variable选择Volume Fraction，Value输入1，Registers to Patch选择刚才标记的区域region-0。注意，不要选择surface。单击patch。此时计算域下半部分为液相区。

通过Results-Graphics-Contour可查看patch之后的相分布，若patch操作正确，则相分布应如下图。

10.动画设置

Solution-Calculation Activities-Solution Animations

双击Solution Animations，弹出动画定义界面

更改Name为phase-animation，单击New object-Contours建立相云图，弹出如下界面

将Contours of设置为phases，选择Volume fraction，phase选择air。表示显示空气相体积分数云图。单击Save/Display，保存此云图。

回到上一界面，选择刚才建立的云图，单击OK，则计算过程中每1个时间步，就会保存一个HSF文件用于生成动画。

11.计算设置

设置计算步长150步，时间步长为0.008s。单击Calculate进行计算。

12.相云图动画

Results-Animations-playback

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