Fluent案例：利用VOF+凝固熔化+UDF实现激光熔覆增材质量流
案例描述
利用VOF+凝固熔化+UDF实现激光熔覆质量流过程的模拟，UDF实现了激光熔覆增材制造过程的双道熔覆模拟，激光熔覆物理过程包括：粉末输送—通过质量源添加金属粉末；激光加热—高功率激光熔化粉末和部分基材；熔池形成—熔融金属形成熔池；快速凝固—激光移开后迅速凝固形成熔覆层。
主要特点如下：工艺参数—激光功率500 kW（非常高，可能是用于大型零件），移动速度0.04 m/s，粉末质量流率0.5 kg/s，激光光斑尺寸30mm × 30mm（假设为立方体光斑）；双道熔覆策略—第一道（0-10秒）从x0 = -0.2m开始向右移动，第二道（10-20秒）从x0 = -0.2m开始向右移动，第一道：Y∈[-0.01, 0.01] m（宽度0.02m），第二道：Y∈[0.01, 0.03] m（宽度0.02m，紧邻第一道）；耦合机制—热源与粉末耦合热源强度乘以粉末相体积分数（C_VOF），这意味着只有在有粉末的区域才会产生热量，质量源单独添加粉末，不考虑相变；源项计算—热源P/(length1³)×VOF在粉末区域内均匀分布，质量源mass/(length1³)在光斑区域内均匀分布，除以length1³假设光斑为立方体，需要单位体积的源项。
步骤
1.导入网格模型
导入模型网格文件，如下图所示：
2.通用设置
采用压力基求解器，瞬态求解，重力方向为z的负方向。
3.模型选择
开启能量方程，粘性模型选择层流，开启凝固和熔化模型并保持默认设置。
4.UDF加载
添加udf.c源文件，点击编译并加载。
// 定义激光熔覆工艺参数常量// 定义热源函数（激光能量输入）DEFINE_SOURCE(heat_source, c, t, dS, eqn){real x[ND_ND]; // 单元中心坐标数组real con, source; // 临时变量和热源值real time = CURRENT_TIME; // 获取当前计算时间// 获取第二相（粉末相）的线程指针Thread *t1 = THREAD_SUB_THREAD(t, 1);// 获取单元中心坐标C_CENTROID(x, c, t);// 只在特定的Z高度范围内（0.02m到0.06m）添加热源if (x[2] >= 0.02 && x[2] <= 0.06){// 第一道熔覆时间 (0-10秒)if (time >= 0 && time < 10){// Y方向限制在 ±0.01m 范围内（第一道的位置）if (x[1] >= -0.01 && x[1] <= 0.01){// 判断是否在激光光斑范围内（X方向移动热源）if (x[0] >= x0 + v*time && x[0] < x0 + length1 + v*time)// 热源公式：P/(length1³) * 粉末相体积分数source = P / length1 / length1 / length1 * C_VOF(c, t1);elsesource = 0;}elsesource = 0;}// 第二道熔覆时间 (10-20秒) - 注意：与第一道在同一Z高度else if (time >= 10 && time < 20){// Y方向限制在 0.01m 到 0.03m 范围内（第二道的位置，Y方向偏移）if (x[1] >= 0.01 && x[1] <= 0.03){// 判断是否在激光光斑范围内（X方向移动热源）// 注意：从第10秒开始，重新从x0位置开始移动if (x[0] >= x0 + v * (time - 10) && x[0] < x0 + length1 + v * (time - 10))source = P / length1 / length1 / length1 * C_VOF(c, t1);elsesource = 0;}elsesource = 0;}elsesource = 0;}elsesource = 0;// 将热源值存储到用户定义内存 UDM0 中（用于后处理或监控）C_UDMI(c, t, 0) = source;return source;}// 定义质量源函数（粉末添加）DEFINE_SOURCE(mass_source, c, t, dS, eqn){real x[ND_ND]; // 单元中心坐标数组real con, source; // 临时变量和质量源值real time = CURRENT_TIME; // 获取当前计算时间// 获取单元中心坐标C_CENTROID(x, c, t);// 只在特定的Z高度范围内（0.02m到0.06m）添加粉末if (x[2] >= 0.02 && x[2] <= 0.06){// 第一道熔覆时间 (0-10秒)if (time >= 0 && time < 10){// Y方向限制在 ±0.01m 范围内（第一道的位置）if (x[1] >= -0.01 && x[1] <= 0.01){// 判断是否在粉末添加区域（X方向移动）if (x[0] >= x0 + v*time && x[0] < x0 + length1 + v*time)// 质量源公式：mass/(length1³)source = mass / length1 / length1 / length1;elsesource = 0;}elsesource = 0;}// 第二道熔覆时间 (10-20秒)else if (time >= 10 && time < 20){// Y方向限制在 0.01m 到 0.03m 范围内（第二道的位置，Y方向偏移）if (x[1] >= 0.01 && x[1] <= 0.03){// 判断是否在粉末添加区域（X方向移动）// 从第10秒开始，重新从x0位置开始移动if (x[0] >= x0 + v * (time - 10) && x[0] < x0 + length1 + v * (time - 10))source = mass / length1 / length1 / length1;elsesource = 0;}elsesource = 0;}elsesource = 0;}elsesource = 0;// 将质量源值存储到用户定义内存 UDM1 中C_UDMI(c, t, 1) = source;return source;}
5.材料参数设置
添加并定义金属材料，在流体材料中修改空气材料的参数并另存为金属材料，在对相关参数进行修改。
添加金属材料后，定义VOF模型。
6.单元区域条件设置
在单元区域设置中勾选源项，并分别添加源项的数量，包括一个能量源项和一个质量源项。
7.初始化
初始化选择标准初始化，温度为300K，金属相的体积为1。局部初始化将空气区域金属相的体积分数设置为0。
8.运行计算
时间步数和时间步长定义如下：
温度分布云图
