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VOF|06水箱冲洗模拟

BB学长

2月前浏览169

导读：使用VOF模型模拟水箱的填充和排空。在水箱中设置初始水位，打开供水系统几秒钟后关闭，水位上升，直到水从U型管流出，产生虹吸效应，有效地排空水箱。

导入网格

打开Fluent,选择Solution，2D，Double Precision
打开后，File → Read → Mesh，导入tankflush.msh.gz网格文件（文末有下载链接，Asys版本2025R1）

常规设置及网格检查

Physics → Solver → General
求解器选择ressure based, Absolute, Transient
点击Y分量前面的下拉按钮，选择“表达式”，然后输入-g。
检查网格，Domain → Mesh → Check

单位设置及网格显示

Domain → Mesh → Units
Domain → Mesh → Display，检查网格区域名称

操作条件及参考值

操作条件

Physics → Solver → Operating Conditions
设置Specified Operating Density，默认𝟏. 𝟐𝟐𝟓 [𝒌𝒈/𝒎𝟑]，其他保持默认值

参考值

Physics → Solver → Reference Values，保持默认值

材料设置

Physics → Materials → Create/Edit

点击Fluent Database
选择water-liquid

模型设置

Physics → Models → Multiphase

选择Volume Of Fluid
Number of Eulerian Phases保持默认2
选择Explicit
激活Implicit Body Force，点击Apply

在某些应用场景中，界面的高精度分辨率并非所有流体区域都需要。此时采用Sharp界面建模或结Sharp/Dispersed建模，可显著提升模拟结果的可靠性。但本案例需要实现气-水界面的高精度解析，因此建议在界面建模选项中选择Sharp方法。

相设置

Physics → Models → Multiphase，选择标签Phase

定义首相，输入名称Water，并选择Water-Liquid
按照同样的方法设置次相Air

Physics → Models → Multiphase，选择Phase Interaction标签

激活Surface Tension Force Modeling
选择Continuum Surface Force
设置Surface Tension Coefficient为0.072 [𝑵/𝒎]，点击应用。

边界条件定义

右键Inlet，确保Direction Specification Method为Normal to Boundary，点击Apply

设置Inlet类型为mass-flow-inlet，右键water，点击Edit

设置Mass Flow Rate 为20 [𝒌𝒈/𝒔]

对气相重复此步骤，并确保质量流量设置为0[𝒌𝒈/𝒔]

Outlet类型为pressure-outlet，右键Edit

设置其压力为0Pa，点击Apply

展开Outlet，右键Air，点击Edit，设置Backflow Volume Fraction为1

对于VOF计算，设置回流体积分数很重要，这样可以避免错误的相进入区域。此处，如果发生回流，空气将进入区域而不是水，但一般情况下，根据具体问题，回流可能涉及任何相。

将边界条件从Outlet区域复制到ambient

右键单击主Outlet，然后选择Copy
在Phase下选择mixture，然后单击Copy
将Phase改为air，然后单击Copy

求解方法及控制

Solution → Solution → Methods

设置Pressure-Velocity coupling为PISO
其他保持默认

Solution → Controls → Controls，保持默认选项

Vof稳定性控制

Solution → Solution → Methods → Velocity Limiting Treatment

激活Velocity Limiting
设置最大速度限制50 [𝒎/𝒔].，点击OK

VOF模拟中的非物理速度尖峰可能由多种原因引起，包括时间步长过大、物压力梯度不平衡以及自由表面附近的轻相的非物理加速。
时间步长的推进逐渐消退。但有时这些峰值可能失控增长并引发发散现象。限制最大速度值是防止速度无序增长和发散的有效手段。所设定的最大速度幅度应远高于任何自然状态下可能出现的速度值。此处预计最大速度约为5[𝑚/𝑠]，因此输入数值需比该数值高出一个数量级。

残差检测

Solution → Reports → Residuals

设置Iterations to Plot为100
这将使残差在图中滚动，使其更容易看到当前的时间步

报告定义

Solution → Reports → Definition → New → Volume Report → Max

设置报告名称max-velocity
在Field Variable中，选择Velocity → Velocity Magnitude
在Cell Zones list中，选择Fluid，点击OK

初始化设置

Solution → Initialization

选择Standard Initialization
点击Option
激活Localized Turbulence Initialization
设置air Volume Fraction为1
点击Intialize

创建register，定义初始液面
右键Cell Registers，点击New → Region
按照下图设置坐标，最初水箱被注满6cm的水，因此输入坐标对应于6cm的高度

点击Save/Display，可以看到定义的区域

Patching设置

Solution → Initialization → Patch

在Phase中选择Air
选择变量为Volume Fraction
设置Value为0，空气相体积分数为0意味着水的体积分数为1
选择region_0，并点击Patch

检查Patch结果，Results → Graphics → Contours → New

将contour名称改为vof-contour
选择Phases → Volume Fraction，并将Phase改为water
点击Save&Display

自动保存设置

Solution → Activities → Autosave

Save Data File Every输入50，并从下拉菜单中选择Time Steps
设置文件名为tankflush
点击OK

计算设置

定义指令，以便在0.25秒后修改边界条件：
Solution → Activities → Create → Execute Commands

在Execute Commands Manager对话框中，单击New
设置名称为modify-inlet-boundary
将Execution Type设置为Execute Once，并设置Flow Time为0.25S
输入指令/define boundary-conditions modify-zones zone-type inlet pressure-inlet /define boundary-conditions pressure-inlet inlet air no 1