本教程演示在STAR CCM 中使用带有自由表面流的6DOF求解器模拟船体面对迎面而来的波浪作用下的运动。
1 导入计算网格
- 启动STAR CCM 并新建Simulation
- 利用菜单File → Import → Import Volume Mesh… 导入网格文件 Boat.ccm
计算网格如下图所示。
2 选择物理模型
- 右键选择模型树节点Continua > Physics 1
- 选择以下物理模型
- Three-Dimensional
- Implicit Unsteady
- Multiphase
- Volume of Fluid (VOF)
- Turbulent
- K-Epsilon Turbulence
- Gravity
- VOF Waves
选择完毕后的模型对话框如下图所示。
3 设置介质材料
- 右键选择模型树节点Continua > Physics 1 > Models > Multiphase > Eulerian Phases，点击弹菜单项New创建介质Water
- 右键选择模型树节点Eulerian Phases > Water ，点击弹出菜单项Select Models… 打开模型选择对话框
- 在对话框中选择Liquid及Constant Density，如下图所示
- 创建另一个介质，命名为Air，选择Gas与Constant Density，如下图所示
4 选择6-DOF模型
- 右键选择模型树节点Tools > Motions，点击弹出菜单项New > DFBI Rotation and Translation创建一个DFBI运动
- 选择模型树节点Regions > Region 1 > Physics Values > Motion Specification，指定参数Motion为DFBI Rotation and Translation
5 设置初始化条件
6-DOF求解器必须指定物体的初始方位。本案例定义一个局部坐标系，其中x轴为船体的前进方向，z轴为船体的垂直方向。
- 右键选择模型树节点Tools > Coordinate Systems > Laboratory > Local Coordinate Systems，点击弹出菜单项New → Cartesian新建笛卡尔坐标系
坐标系创建完毕后，图形窗口中可以看到局部坐标系，如下图所示。
- 修改新创建的节点名为Initial ship orientation
6 创建6-DOF体
- 右键选择模型树节点DFBI → 6-DOF Bodies，点击弹出菜单项New Body > 3D > Continuum Body，修改新创建的节点名称为Boat
- 选中新创建的节点Boat，如下图所示设置
- 指定Body Surface为hull
- 指定Body Mass为400 kg
- 指定Release Time为0.5 s
注：这里的Release Time为弛豫时间，指的是在计算0.5s后才考虑作用在船体上的力。设置为0.5仅仅只是为了考虑计算的稳定性，其实设置为0也可以。 ”
- 选中模型树节点Boat > Initial Values >Moment of Interia，如下图所示设置
- 指定Diagonal Components为**[1000,1000,1000] kg/m2**
- 指定Coordinate System为Laboratory-> Inital ship orientation
- 激活选项Use Center Of Mass
- 选中节点Boat > Initial Values > Center of Mass，设置 Coordinate System 为Laboratory->Initial ship orientation
- 选中节点Boat > Free Motion，激活选项Z Motion及Y Rotation，限制船体只能沿Z方向平动与Y方向转动
7 定义波浪
- 选中模型树节点Continua > Physics 1 > Models > VOF Waves > Waves，点击右键菜单New → Fifth Order创建波浪
- 修改新创建的节点Fifth Order Vof Wave 1 名称为Head Wave，并如下图所示设置节点参数
- 选中节点Waves > Head Wave → Wave Length Specification，设置Wave Length为6 m
8 定义初始条件
- 选中模型树节点Continua > Physics 1 > Initial Conditions，按下表内容定义其子节点
9 设置边界条件
- 进入节点Regions > Region_1 > Boundaries > inlet，按下表内容设置参数
- 进入节点Regions > Region_1 > Boundaries > pressure，按下表内容设置参数
10 设置求解参数
- 选中模型树节点Solvers > Implicit Unsteady，指定Time-Step为**0.01 s **
- 选中节点Stopping Criteria > Maximum Physical Time，如下图所示指定最大计算时间为4 s
11 创建自由等值面
创建等值面用于显示水。
- 右键选择模型树节点Derived Parts，点击弹出菜单项New Part > Isosurface....
- 按下图所示设置等值面参数，修改节点名称为Water Surface
12 创建Colormap
- 右键选择模型树节点Tools > Colormaps，点击弹出菜单项New
- 修改新创建的节点 user 1 名称为Water 2
13 显示自由面
- 右键选择节点Scene，点击弹出菜单项New Scene → Scalar新建节点Scalar Scene 1
- 选中节点Scenes > Scalar Scene 1 > Outline 1，取消选中选项Outline
- 选中节点Scalar 1 > Parts，指定Parts为Water Surface
- 选中节点Scalar Field，指定Function为Volume Fraction of Water
- 选中节点Scalar 1 > Color Bar，指定Color Map为前面创建的water 2，取消选项Visible
- 选中节点Scalar 1
- 指定Contour Style为Smooth Filled
- 设置Tranform为symmetry 1
- 右键选中节点Lights，点击弹出菜单项Head Light
14 创建DFBI显示
- 右键选择模型树节点Scalar Scene 1，点击弹出菜单项New Displayer → DFBI添加DFBI显示
- 选中节点DFBI 1 > Parts，指定Parts为Boat
- 选中节点DFBI 1，如下图所示指定参数Opacity为0.5，设置Transform为symmetry 1
- 选中节点Scalar Scene 1，点击弹出菜单项New Displayer → DFBI增加新的DFBI显示
- 选中模型树节点DFBI 2 → Parts，指定Parts为Fluid Force and Moment
- 选中节点DFBI 2 > Relative Size，指定Vectgor Glyph Lnegth(%)为50
15 输出图片
- 选中模型树节点Scenes > Scalar Scene 1 > Attributes > Update，指定Trigger为Time Step
16 输出报告
- 右键选择模型树节点Reports，点击弹出菜单项New Report > DFBI > 6-DOF Body Translation
- 修改新创建的模型树节点6-DOF Body Translation 1名称为Z Translation，并指定Direction为**[0,0,1]**
- 右键选择模型树节点Reports，点击弹出菜单项New Report > DFBI > 6-DOF Body Orientation创建新节点Y Rotation，如下图所示设置新创建节点的属性参数
- 同时选中节点Y Rotation及Z Translation，点击右键菜单Create Monitor and Plot from Report
- 打开的对话框中，选择按钮Multiple Plots(one per report)
17 初始化并计算
- 选择菜单Solution → Initialze Solution进行初始化
18 计算结果
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