STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型

本教程演示利用STAR CCM+中的具有自由表面流的重叠网格功能和DFBI模型来模拟救生艇下水时的运动。

1 问题描述

该案例来源于H.J.Morch等人(2008)在论文“Simulation of Lifeboat Launching under Storm Conditions”中描述的实验。从斜坡上下水的救生艇经过平动和转动后撞击水面上。模型如下图所示。

STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图1

可以使用三个自由度对运动进行模拟:垂直和水平平移,以及俯仰旋转。本案例考虑模型的对称性,仅计算一半的几何模型,从而降低模拟的计算成本。

模拟从最初定位在水面正上方的船开始,具有以下属性:

  • 质量:10000 kg
  • 惯性矩:16000 kg-m2
  • 初始下移速度:22 m/s
  • 初始角速度:0 rad/s
  • 初始倾角:35°

2 STAR CCM+设置

  • 启动STAR CCM+并新建Simulation
  • 利用菜单 File > Import > Import Surface Mesh...加载几何文件lifeBoatOverset.x_b

计算模型如下图所示。

STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图2

2.1 创建区域

  • 选择Parts节点下的两个子节点 Background及Overset,点击右键菜单**Assign Parts to Regions…**创建区域
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图3
  • 打开的对话框中选择所有 Parts,选择选项 Create a Region for Each PartCreate a Boundary for Each Part SurfaceDo Not Create Interfaces From Contacts,点击按钮 Apply创建计算区域
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图4
  • 选择节点 Regions > Background > Boundaries,指定其下子节点的边界类型,如下表所示
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图5
  • 指定节点 Regions > Overset > Boundaries下的子节点的边界类型,如下表所示
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图6

修改完毕后的模型树节点如下图所示。

STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图7

2.2 选择物理模型

  • 右键选择模型树节点 Continua,点击弹出菜单项 New → Physics Continuum创建新节点
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图8
  • 右键选择节点 Continua > Physics 1 > Models,点击弹出菜单项**Slect Models…**打开模型选择对话框
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图9
  • 在对话框中选择以下物理模型
    • Three-Dimensional
    • Implicit Unsteady
    • Multiphase
    • Volume of Fluid (VOF)
    • Laminar
    • Gravity
    • VOF Waves

选择完毕后的模型选择对话框如下图所示。

STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图10

2.3 耦合区域

  • 同时选中模型树节点Regions下的子节点 Background与Overset,点击右键菜单项 Create Interface → Overset Mesh创建交界面
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图11

2.4 生成网格

  • 右键选择模型树节点 Operations,点击弹出菜单项 New → Mesh → Automated Mesh打开网格创建对话框
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图12
  • 选择Parts列表项 Background,选择网格生成方法 Surface Remesher及Trimmed Cell Mesher
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图13
  • 修改节点 Automated Mesh 名称为 Background
  • 右键选择节点 Background,点击右键菜单 Copy复制节点
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图14
  • 右键选择节点 Operations,点击弹出菜单项 Paste粘贴节点
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图15
  • 修改节点 Copy of Background名称为 Overset
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图16

生成网格时,注意以下事项:(1)为了使两套网格之间变量插值误差最小化,建议在前景网格和背景网格的重叠区域中使用相同数量级的网格密度。(2) 当救生艇在水中移动时,要将重叠网格与救生艇周围的水流对齐,建议在救生艇处于水平位置时生成网格。创建网格后,将区域旋转到其初始位置进行模拟。(3) 船体和水-气界面周围需要更精细的网格,以捕捉相关的流动细节。

  • 右键选择模型树节点 Geometry > Parts,点击弹出菜单 New Shape Part → Block创建长方体
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图17
  • 按如下图所示尺寸创建Block
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图18
  • 修改节点 Geometry > Parts > Block名称为 Overlap
  • 相同方式创建block,采用下表所示参数,并修改其名称为 Water Surface
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图19
  • 相同方式创建block,采用下表所示参数,并修改其名称为 Boat
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图20

创建完毕后的几何如下图所示。

STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图21
  • 选择模型树节点 Operations > Background > Default Controls > Base Size,设置参数值为 5 m
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图22
  • 右键选择模型树节点 Operations > Background > Custom Controls,点击弹出菜单项 New → Volumetric Control创建节点 Overlap
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图23
  • 选中模型树节点 Custom Controls > Overlap,设置 PartsOverlap
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图24
  • 选中节点 Custom Controls > Overlap > Controls > Surface Remesher,激活选项 Customize Size
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图25
  • 选中节点 Overlap > Values > Custom Size,设置参数 Percentage of Base25
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图26
  • 选中模型树节点 Custom Controls > Overlap > Controls > Trimmer,激活选项 Customize Isotropic Size
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图27
  • 右键选择模型树节点 Custom Controls,点击弹出菜单项 New → Volumetric Control创建节点 Water Surface
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图28
  • 选中节点 Custom Controls > Water Surface,设置 PartsWater Surface
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图29
  • 选中节点 Surface Remesher,激活节点 Customize Size
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图30
  • 选中节点 Water Surface → Values → Custom Size,指定参数 Percentage of Base100
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图31
  • 选中节点 Water Surface → Controls → Trimmer,激活参数 Customize Anisotropic Size
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图32
  • 选中节点 Water Surface > Values > Trimmer Anisotropic Size, 激活选项 Custom X Size、CustomY Size及Custom Z Size
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图33
  • 选中节点 Relative Z Size,设置参数 Percentage of Base50
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图34
  • 选中节点 Background > Meshers > Trimmed Cell Mesher,激活选项 Perform Mesh Alignment
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图35
  • 选中模型节点 Background > Default Controls > Mesh Alignment Location,指定 Location为**[-125,0,0]**
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图36
  • 选中模型树节点 Background > Default Controls > Surface Growth Rate,指定参数 Surface Growth RateSlow
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图37
  • 选中节点 Volume Growth Rate,设置参数 Default Growth RateSlow
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图38
  • 指定节点 Overset → Default Controls > Base Size1 m
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图39
  • 如下图所示创建 Volumetric Control,并命名节点为 Boat
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图40
  • 按下图所示操作,设置Boat节点的 Parts参数为 Boat
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图41
  • 激活 Surface RemesherCustomize Size
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图42
  • 指定 Custom Size节点的 Percentage of Base50
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图43
  • 右键选择模型树节点 Operations,点击弹出菜单项 Execute All
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图44

生成网格如下图所示。

STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图45

2.5 变换重叠网格

  • 右键选择模型树节点 Regions > Overset,点击弹出菜单项 Transform → Translate… 打开模型转换面板
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图46
  • 如下图所示,指定 Z坐标为 -2 6,点击 Apply按钮将模型沿Z轴平移-26m
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图47
  • 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新建坐标系
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图48
  • 按下图所示参数创建新的笛卡尔坐标系
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图49

新建的坐标系位置如下图所示。

STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图50
  • 右键选择模型树节点 Regions > Overset,点击弹出菜单项 Transform → Rotate… 打开模型转换面板
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图51
  • 设置 Angle35 deg,指定 Axis VectorY,设置 Coordinate System为前面所创建的笛卡尔坐标系 Cartesian 1
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图52

变换完毕后的网格如下图所示。

STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图53

2.6 创建欧拉相

  • 选择模型树节点 Continua > Physics 1 > Models > Multiphase > Eulerian Phases,点击弹出菜单项 New新建节点 Water
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图54
  • 右键选择 Models,点击弹出菜单项**Select Models…**打开模型选择对话框
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图55
  • 选择 Liquid及Constant Density
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图56
  • 右键选择节点 Eulerian Phases,点击弹出菜单项 New创建新的相,命名为 Air
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图57
  • 选择属性为 Constant DensityGas
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图58

2.7 设置6-DOF

  • 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DFBI运动节点
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图59
  • 选择模型树节点 Regions > Overset > Physics Values > Motion Specification,设置参数 Motion为前面创建的DFBI运动 DFBI Rotation and Translation
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图60
  • 右键选择模型树节点 DFBI > 6-DOF ,点击弹出菜单项 New Body > 3D > Continuum Body创建新节点 Boat
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图61
  • 选中节点 DFBI > 6-DOF Bodies > Boat,设置 Boat SurfaceLifeboat_wall,指定 Body Mass10000 kg
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图62
  • 选中模型树节点 DFBI > 6-DOF Bodies > Boat > Initial Values > Moment of Inertia,指定参数 Diagonal Components[16000,16000,16000] kg-m^2
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图63
  • 选中模型树节点 Initial Values > Center of Mass,指定 Postion[-8.22,0,-4.329] m,m,m
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图64
  • 选中节点 Initial Values > Velocity,指定其值为 [0 ,0,-22] m/s
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图65
  • 选中节点 DFBI > 6-DOF Bodies > Boat > Free Motion,激活选项 X Motion、Z Motion及Y Rotation
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图66

2.8 定义波浪

  • 右键选择模型树节点 Continua > Physics 1 > Models > VOF Waves > Waves,点击弹出菜单项 New → Flat创建新节点 Flat Wave
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图67
  • 选中节点 Flat Wave,如下图所示设置波浪参数
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图68

2.9 设置初始值

  • 选中节点 Continua > Physics 1 > Initial Conditions,如下表所示设置参数
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图69

2.10 设置边界条件

  • 选中节点 Regions > Background > Boundaries > Inlet,如下表所示设置入口边界条件
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图70
  • 选择节点 Regions > Background > Boundaries > Outlet,如下表所示设置出口边界条件
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图71
  • 选中节点 Regions > Background > Boundaries > Bottom,如下表所示设置边界条件
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图72
  • 选择节点 Regions > Background > Boundaries > Top,如下表所示设置边界条件
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图73

2.11 设置求解参数

  • 选中节点 Implicit Unsteady,设置 Time Step0.0025 s
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图74
  • 设置 Maximum Physical Time0.5 s
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图75
  • 取消激活选项 Maximum Steps
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图76

2.12 进行计算

  • 选中菜单 Solution → Step开始计算
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图77

3 计算结果

  • 船体的沿Y轴旋转角度随时间变化
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图78
  • X轴平动位移随时间变化
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图79
  • Z方向平动位移随时间变化
STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图80
  • 船体下水的动画

STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的图81

注:本案例取自STAR CCM+随机案例,演示版本为2021.3。



(案例结束)

文章来源:CFD之道

STAR CCM+
0 1

STAR CCM+案例|救生艇入水仿真 救生艇模型的评论0条

    暂无评论
    影响力
    粉丝
    内容
    获赞
    收藏