作者：西门剑客之CFDer
转自公众号：STAR CCM Online
发表日期：2019-02-02
关键词：#CFD##仿真模拟##计算流体力学##计算机辅助工程##CAE#
1.概述
本验证案例模拟了2.5维的跌落测试，与拍击有关问题。给出了STAR-CCM+中Overset和Non-Overset两种方法的数值结果，与COMET数值结果以及Peterson等（1997）实验结果进行比对。
Overset网格也称为嵌套或重叠网格，是一种耦合法，用于将彼此重叠的区域以任意网格类型进行离散化，即使网格类型在相交区域中有所不同也如此。将固定区域单独定义为背景区域，自由移动的对象可以直接单独网格化，然后叠加在背景网格上。通过孔切削算法将背景区域和移动区域结果耦合在一起。与DFBI联合应用，模拟多体与流体之间相互作用和运动。
通常，CFD 程序很难对多体之间的相对运动建模，或者至少在实际应用中面临此类建模难题。重叠网格区域可以在背景网格内任意运动，而无需对网格进行重构；另外，当交界面处于静态时，无需额外的计算成本，因此重叠网格是处理多个移动物体的问题以及优化设计有效工具，应用领域广泛，优势明显，如下视频所示：
Non-Overset在网格不变的情况下，应用DFBI，通过计算域的相对运动，模拟单体的运动。
Peterson等人的实验测试，模型为一个高纵横比（0.61米x 2.44米）的带有20°底面斜度的棱柱形楔形物，从不同的高度跌落，具有不同的重量，并且具有初始为零或非零的横倾。楔形物配备测试仪器，用于记录旋转和垂直加速随时间的变化。
比对案例模拟选择的跌落测试条件是：
非对称模型跌落
横倾=5°
重量 = 124 kg
惯性矩= 8.85 kg·m2
2.几何和网格
在数值模型中，配置减少到2.5维。因此，重量和转动惯量减少到0.003125米厚度的模型切片。重心位置在对称平面上，并且在龙骨上方0.216m处。2.5维模型参数如下表：
模型尺寸如下图所示：
2.5维网格（即y方向上一个单元格厚）
Overset：90,000个网格
两个计算域
仅沿预期的Overset运动路径区域进行网格细化
NonOverset：110,000个网格
一个计算域
整个区域的网格细化，以便在区域整体移动时捕获自由表面
3. 物理模型与边界条件
使用VOF（Volume of Fluid）多相模型对区域中的水和空气进行建模，物理模型选择如下图所示：
VOF Waves中的FlatVofWave模型，如下图所示，可快速进行气液两相的初始化参数设定，以及随深度变化的压力边界条件等，非常方便。
使用DFBI自由运动模型（3个自由度：平移Z，平移X，旋转Y）模拟跌落测试运动。
由于在该配置中不存在侧向流动，因此不需要入口或出口边界条件。
设定压力边界条件，其中在所有流动边界（侧面，顶部和底部）指定已知的流体静压力（和体积分数）。在这些边界上假设压力扰动最小。Overset和NonOverset计算边界条件设定如下列表所示：
Overset：
NonOverset：
介质物性如下表所示：
在时间t0 = 0时，垂直位置为+0.61米，并且受力和速度为零。由重力加速度=9.81m/s2加速度方向为Y轴负方向。当Y轴方向速度达到最大值时，楔形物在0.35秒后撞击水面。
验证案例从模拟文件开始，该文件从0.35秒保存并运行直到最大物理时间达到0.45秒。
计算初始条件如下表所示：
4 求解器属性和停止标准
对于大多数的算例，用户不需要修改求解器的设置。一些算例可以通过调整URF (Under-RelaxationFactors, segregated solver) 或者 CFL (Courant Number,coupled solver)来提高收敛性能。求解器的设置项位于目录树Solvers 节点下，设置求解时间与停止标准，如下列表所示：
5. 计算结果
以下工程量用于比较Overset、NonOverset和COMET以及实验数据[1]。
冲击速度[ft/s]
横倾角度[deg]
垂直加速度[a/g]
角加速度[x10 ^ 3 deg / s ^2]
注：Overset和Non-Overset本算例中监控结果一致，统一名称STAR-CCM+！
Overset
NonOverset
6. 参考文献
[1] Azcueta, R. 2001. “Computation of Turbulent Free-Surface Flows Around Ships andFloating Bodies”, PhD thesis Technical University ofHamburg-Harburg. Chapter 5.