本教程演示在STAR CCM+中使用带有自由表面流的6DOF求解器模拟船体面对迎面而来的波浪作用下的运动。

1 导入计算网格

• 启动STAR CCM+并新建Simulation
• 利用菜单 File → Import → Import Volume Mesh… 导入网格文件 Boat.ccm

计算网格如下图所示。

2 选择物理模型

• 右键选择模型树节点 Continua > Physics 1

• 选择以下物理模型
• Three-Dimensional
• Implicit Unsteady
• Multiphase
• Volume of Fluid (VOF)
• Turbulent
• K-Epsilon Turbulence
• Gravity
• VOF Waves

选择完毕后的模型对话框如下图所示。

3 设置介质材料

• 右键选择模型树节点 Continua > Physics 1 > Models > Multiphase > Eulerian Phases，点击弹菜单项 New创建介质 Water

• 右键选择模型树节点 Eulerian Phases > Water ，点击弹出菜单项 Select Models… 打开模型选择对话框

• 在对话框中选择 Liquid及Constant Density，如下图所示

• 创建另一个介质，命名为 Air，选择 Gas与Constant Density，如下图所示

4 选择6-DOF模型

• 右键选择模型树节点 Tools > Motions，点击弹出菜单项 New > DFBI Rotation and Translation创建一个DFBI运动

• 选择模型树节点 Regions > Region 1 > Physics Values > Motion Specification，指定参数 Motion为 DFBI Rotation and Translation

5 设置初始化条件

6-DOF求解器必须指定物体的初始方位。本案例定义一个局部坐标系，其中x轴为船体的前进方向，z轴为船体的垂直方向。

• 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新建笛卡尔坐标系

• 如下图所示设置，创建新的局部坐标系

坐标系创建完毕后，图形窗口中可以看到局部坐标系，如下图所示。

• 修改新创建的节点名为 Initial ship orientation

6 创建6-DOF体

• 右键选择模型树节点 DFBI → 6-DOF Bodies，点击弹出菜单项 New Body > 3D > Continuum Body，修改新创建的节点名称为 Boat

• 选中新创建的节点 Boat，如下图所示设置
• 指定 Body Surface为 hull
• 指定 Body Mass为 400 kg
• 指定 Release Time为 0.5 s

注：这里的Release Time为弛豫时间，指的是在计算0.5s后才考虑作用在船体上的力。设置为0.5仅仅只是为了考虑计算的稳定性，其实设置为0也可以。

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• 选中模型树节点 Boat > Initial Values >Moment of Interia，如下图所示设置
• 指定 Diagonal Components为**[1000,1000,1000] kg/m2**
• 指定 Coordinate System为 Laboratory-> Inital ship orientation
• 激活选项 Use Center Of Mass

• 选中节点 Boat > Initial Values > Center of Mass，设置 Coordinate System 为 Laboratory->Initial ship orientation

• 选中节点 Boat > Free Motion，激活选项 Z Motion及Y Rotation，限制船体只能沿Z方向平动与Y方向转动

7 定义波浪

• 选中模型树节点 Continua > Physics 1 > Models > VOF Waves > Waves，点击右键菜单 New → Fifth Order创建波浪

• 修改新创建的节点 Fifth Order Vof Wave 1 名称为 Head Wave，并如下图所示设置节点参数

• 选中节点 Waves > Head Wave → Wave Length Specification，设置 Wave Length为 6 m

8 定义初始条件

• 选中模型树节点 Continua > Physics 1 > Initial Conditions，按下表内容定义其子节点

9 设置边界条件

• 进入节点 Regions > Region_1 > Boundaries > inlet，按下表内容设置参数

• 进入节点 Regions > Region_1 > Boundaries > pressure，按下表内容设置参数

10 设置求解参数

• 选中模型树节点 Solvers > Implicit Unsteady，指定 Time-Step为**0.01 s **

• 选中节点 Stopping Criteria > Maximum Physical Time，如下图所示指定最大计算时间为 4 s

11 创建自由等值面

创建等值面用于显示水。

• 右键选择模型树节点 Derived Parts，点击弹出菜单项 New Part > Isosurface....

• 按下图所示设置等值面参数，修改节点名称为 Water Surface

12 创建Colormap

• 右键选择模型树节点 Tools > Colormaps，点击弹出菜单项 New

• 如下图所示，创建Colormap

• 修改新创建的节点 user 1 名称为 Water 2

13 显示自由面

• 右键选择节点 Scene，点击弹出菜单项 New Scene → Scalar新建节点 Scalar Scene 1

• 选中节点 Scenes > Scalar Scene 1 > Outline 1，取消选中选项 Outline

• 选中节点 Scalar 1  > Parts，指定 Parts为 Water Surface

• 选中节点 Scalar Field，指定 Function为 Volume Fraction of Water

• 选中节点 Scalar 1 > Color Bar，指定 Color Map为前面创建的 water 2，取消选项 Visible

• 选中节点 Scalar 1
• 指定 Contour Style为 Smooth Filled
• 设置 Tranform为 symmetry 1

• 右键选中节点 Lights，点击弹出菜单项 Head Light

14 创建DFBI显示

• 右键选择模型树节点 Scalar Scene 1，点击弹出菜单项 New Displayer → DFBI添加DFBI显示

• 选中节点 DFBI 1 > Parts，指定Parts为 Boat

• 选中节点 DFBI 1，如下图所示指定参数 Opacity为 0.5，设置 Transform为 symmetry 1

• 选中节点 Scalar Scene 1，点击弹出菜单项 New Displayer → DFBI增加新的DFBI显示

• 选中模型树节点 DFBI 2 → Parts，指定Parts为 Fluid Force and Moment

• 选中节点 DFBI 2 > Relative Size，指定 Vectgor Glyph Lnegth(%)为 50

15 输出图片

• 选中模型树节点 Scenes > Scalar Scene 1 > Attributes > Update，指定 Trigger为 Time Step

16 输出报告

• 右键选择模型树节点 Reports，点击弹出菜单项 New Report > DFBI > 6-DOF Body Translation

• 修改新创建的模型树节点 6-DOF Body Translation 1名称为 Z Translation，并指定 Direction为**[0,0,1]**

• 右键选择模型树节点 Reports，点击弹出菜单项 New Report > DFBI > 6-DOF Body Orientation创建新节点 Y Rotation，如下图所示设置新创建节点的属性参数

• 同时选中节点 Y Rotation及Z Translation，点击右键菜单 Create Monitor and Plot from Report

• 打开的对话框中，选择按钮 Multiple Plots(one per report)

17 初始化并计算

• 选择菜单 Solution → Initialze Solution进行初始化

• 初始化等值图如下图所示

• 点击菜单 Solution → Run开始计算

18 计算结果

• Z方向平动位移随时间变化

• Y方向转动角度随时间变化

• 船体运动与波浪等值面

本案例为STAR CCM+2021.3随机案例，留此备日后查阅。

练习文件下载：

链接：https://pan.baidu.com/s/1Zr64cZKPA2HM9E5BXj4MFA 提取码：acz5

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（案例结束）

文章来源：CFD之道