自由表面流动分析 | 如何正确倒果汁？两种倾倒方式对比Flow Simulation仿真案例

本课程是一个生活化的仿真实战案例。我们将使用 SolidWorks Flow Simulation，精确模拟两种倒果汁的方式，本质上是一个涉及瞬态、可压缩、具有自由面的多相流问题！

“生活中，你有没有遇到过这样的烦恼？急着想喝杯果汁，却发现它慢悠悠地、一顿一顿地从瓶子里流出来，甚至还会顺着瓶壁流下，弄得满手黏腻……”

你有没有想过，问题就出现在你倒果汁的姿势上？我们习以为常的将瓶口朝下、离杯子更近的倒法，其实并不是最优解！

今天，我们通过一个精彩的流体力学模拟实验，通过自由面模型，来亲眼见证两种倒法——瓶口朝下 vs 瓶口朝上——的巨大差异！

这个看似简单的“空气补偿”原理，包含了瞬态、自由面、多相流、压力耦合等核心概念。通过这个生动的例子，抽象的教科书概念变得具体而直观。这正是仿真学习的魅力——将理论付诸于可视化的实践。

2. 模型介绍

本次仿真关注瓶内流体与环境空气间的瞬态流动状态，模型做了以下简化：

1. 1. 饮料盒由矩形盒体 + 圆柱形开口构成，不考虑螺纹等细节；
2. 2. 用水代替饮料展示流动；
3. 3. 两种模型尺寸相同，高度一致。
4. 

Flow Simulation 可以对具有自由面的两种不溶混流体进行建模，本次使用 “自由面” 功能。自由面是液体与气体的接触面，使用 VOF（流体体积法） 技术建模。

3. 设置

3.1模型配置

两种模型仅液体出口位置不同，其余设置相同。我们通过“克隆”配置在同一项目树下建立两个模型。

3.2 向导设置

• • 项目名称：juice buttom（瓶口朝下）
• • 单位系统：默认
• • 分析类型：需考虑流动、瞬态分析、重力及自由面等
• • 默认流体：水 + 空气
• • 壁面条件：绝热壁面
• • 初始条件：初始液体为空气，后续将水定义为液体区域

3.3 计算域与网格

调整计算域至刚好包裹模型，避免不必要的计算资源浪费。

网格设置。

注意：网格过密会导致计算缓慢甚至内存溢出，需合理设置。

3.4 求解设置

• • 设置时间步长
• • 保存结果：周期性保存
• • 勾选水和空气的体积分量

3.5 克隆项目

右键项目 → 克隆至→ juice top（瓶口朝上）→ 调整计算域与网格 → 批处理运行，同步计算两个项目。

4. 后处理

4.1 切面图与体积分布

插入切面图，选择体积分量-水，勾选3D轮廓，查看水的分布云图。通过时间轴查看不同时刻的水体积分布。

4.2 流动迹线

插入流动迹线，选择出口内表面，观察空气流动轨迹。

5. 结论

• • 瓶口朝下：液体堵住出口，空气无法顺利进入，导致“咕嘟咕嘟”断流、溅出。
• • 瓶口朝上：空气顺畅进入，内外气压一致，倒得更稳、更流畅。

小贴士：类似原理也适用于油桶等容器，设计小口进空气，倒液更顺畅。

6. 动画展示

右键动画可插入动态模拟过程。