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。

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。

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

• 打开的对话框中选择所有 Parts，选择选项 Create a Region for Each Part、 Create a Boundary for Each Part Surface、 Do Not Create Interfaces From Contacts，点击按钮 Apply创建计算区域

• 选择节点 Regions > Background > Boundaries，指定其下子节点的边界类型，如下表所示

• 指定节点 Regions > Overset > Boundaries下的子节点的边界类型，如下表所示

修改完毕后的模型树节点如下图所示。

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

• 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

• 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。

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

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

• 选择Parts列表项 Background，选择网格生成方法 Surface Remesher及Trimmed Cell Mesher

• 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

• 右键选择节点 Operations，点击弹出菜单项 Paste粘贴节点

• 修改节点 Copy of Background名称为 Overset

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

• 按如下图所示尺寸创建Block

• 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

• 相同方式创建block，采用下表所示参数，并修改其名称为 Boat

创建完毕后的几何如下图所示。

• 选择模型树节点 Operations > Background > Default Controls > Base Size，设置参数值为 5 m

• 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

• 选中模型树节点 Custom Controls > Overlap，设置 Parts为 Overlap

• 选中节点 Custom Controls > Overlap > Controls > Surface Remesher，激活选项 Customize Size

• 选中节点 Overlap > Values > Custom Size，设置参数 Percentage of Base为 25

• 选中模型树节点 Custom Controls > Overlap > Controls > Trimmer，激活选项 Customize Isotropic Size

• 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

• 选中节点 Custom Controls > Water Surface，设置 Parts为 Water Surface

• 选中节点 Surface Remesher，激活节点 Customize Size

• 选中节点 Water Surface → Values → Custom Size，指定参数 Percentage of Base为 100

• 选中节点 Water Surface → Controls → Trimmer，激活参数 Customize Anisotropic Size

• 选中节点 Water Surface > Values > Trimmer Anisotropic Size， 激活选项 Custom X Size、CustomY Size及Custom Z Size

• 选中节点 Relative Z Size，设置参数 Percentage of Base为 50

• 选中节点 Background > Meshers > Trimmed Cell Mesher，激活选项 Perform Mesh Alignment

• 选中模型节点 Background > Default Controls > Mesh Alignment Location，指定 Location为**[-125,0,0]**

• 选中模型树节点 Background > Default Controls > Surface Growth Rate，指定参数 Surface Growth Rate为 Slow

• 选中节点 Volume Growth Rate，设置参数 Default Growth Rate为 Slow

• 指定节点 Overset → Default Controls > Base Size为 1 m

• 如下图所示创建 Volumetric Control，并命名节点为 Boat

• 按下图所示操作，设置Boat节点的 Parts参数为 Boat

• 激活 Surface Remesher的 Customize Size

• 指定 Custom Size节点的 Percentage of Base为 50

• 右键选择模型树节点 Operations，点击弹出菜单项 Execute All

生成网格如下图所示。

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

• 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

• 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

• 按下图所示参数创建新的笛卡尔坐标系

新建的坐标系位置如下图所示。

• 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

• 设置 Angle为 35 deg，指定 Axis Vector为 Y，设置 Coordinate System为前面所创建的笛卡尔坐标系 Cartesian 1

变换完毕后的网格如下图所示。

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

• 右键选择 Models，点击弹出菜单项**Select Models…**打开模型选择对话框

• 选择 Liquid及Constant Density

• 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

• 选择属性为 Constant Density及 Gas

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

• 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

• 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

• 选中节点 DFBI > 6-DOF Bodies > Boat，设置 Boat Surface为 Lifeboat_wall，指定 Body Mass为 10000 kg

• 选中模型树节点 DFBI > 6-DOF Bodies > Boat > Initial Values > Moment of Inertia，指定参数 Diagonal Components为 [16000,16000,16000] kg-m^2

• 选中模型树节点 Initial Values > Center of Mass，指定 Postion为 [-8.22,0,-4.329] m,m,m

• 选中节点 Initial Values > Velocity，指定其值为 [0 ,0,-22] m/s

• 选中节点 DFBI > 6-DOF Bodies > Boat > Free Motion，激活选项 X Motion、Z Motion及Y Rotation

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

• 选中节点 Flat Wave，如下图所示设置波浪参数

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

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

• 选择节点 Regions > Background > Boundaries > Outlet，如下表所示设置出口边界条件

• 选中节点 Regions > Background > Boundaries > Bottom，如下表所示设置边界条件

• 选择节点 Regions > Background > Boundaries > Top，如下表所示设置边界条件

2.11 设置求解参数

• 选中节点 Implicit Unsteady，设置 Time Step为 0.0025 s

• 设置 Maximum Physical Time为 0.5 s

• 取消激活选项 Maximum Steps

2.12 进行计算

• 选中菜单 Solution → Step开始计算

3 计算结果

• 船体的沿Y轴旋转角度随时间变化

• X轴平动位移随时间变化

• Z方向平动位移随时间变化

• 船体下水的动画

注：本案例取自STAR CCM+随机案例，演示版本为2021.3。

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