本文主要利用重叠网格技术模拟救生船落水过程。 首先看模拟的效果：

问题描述

问题示意图如下图所示。救生艇以如下形态落入水中，请问如何利用CFD模拟该过程？其实，H.J.Morch等人在2008年的时候就对这个问题进行过实验研究，这里我们利用CFD技术模拟这个过程。

几何模型

这个问题涉及的几何模型包含两个几何实体，分别是背景流体区域和重叠网格区域，具体如下图所示。

STAR-CCM+设置

创建计算域并设置边界类型

1. 新建一个仿真文件；

2. 选择File > Import > Import Surface Mesh...，然后在弹出的窗口中选择几何模型文件lifeBoatOverset.x_b，将几何文件加载进来，模型如下图所示；

3. 同时选中Geometry>Parts节点下的Background和Overset两个零部件；

4. 右击其中任一个，然后在弹出的菜单中选择Assign Parts to Regions...；

5. 在Assign Parts to Regions对话框中设置如下图所示；

6. 展开Regions>Background>Boundaries节点，设置背景流域各个边界的类型如下表所示；

   节点	边界类型
   Back	Symmetry Plane
   Bottom	Velocity Inlet
   Inlet	Velocity Inlet
   Outlet	Pressure Outlet
   Symmetry	Symmetry Plane
   Top	Velocity Inlet

7. 展开Regions>Overset>Boundaries节点，设置重叠网格区域各个边界类型如下表所示。

   节点	边界类型
   Boundaries	Overset Mesh
   Lifeboat_Wall	Wall
   Symmetry	Symmetry Plane

设置物理模型

1. 新建一个物理模型连续体；

2. 展开Continua>Physics 1节点，双击Models，然后在弹出的窗口中选择物理模型，具体如下图所示。

两个区域的耦合设置

现在Background和Overset这两个区域还是独立的，它们之间并不会产生数据交互，要触发数据交互，就要进行耦合设置，具体步骤如下：

1. 同时选中 Background和 Overset这两个区域；
2. 右击其中一个区域，然后在弹出的菜单中选择 Create Interface> Overset Mesh，这样一个新的 Interface节点就会出现在模型树中，也就耦合了 Background和 Overset这两个区域。

划分体网格

1. 右击Geometry>Operations节点，然后选择New>Mesh>Automated Mesh；

2. 在Create Automated Mesh Operation对话框中，从零部件列表中选择Background；

3. 选择网格划分器：Surface Remesher和Trimmed Cell Mesher，并点击OK；

4. 重命名Automated Mesh节点为Background；

5. 同理创建另一个自动网格划分方法，重命名为Overset，设置输入零部件为Overset，其他参数同上；

6. 右击Geometry>Parts节点，然后选择New Shape Part>Block；

7. 设置两个角点坐标如下表所示；

   	角点1	角点2
   X	-28.0m	50.0 m
   Y	0.0 m	12.0 m
   Z	-45.0 m	0.0 m

8. 点击Create，然后点击Close；

9. 重命名Geometry > Parts > Block节点为Overlap；

10. 同样的方式，创建另一个加密框，命名为Water Surface，设置角点坐标如下表所示；

    	角点1	角点2
    X	-125.0 m	125.0 m
    Y	0.0 m	50.0 m
    Z	-34.0 m	-24.0 m

11. 再创建一个名为Boat的加密框，设置角点坐标如下表所示；

    	角点1	角点2
    X	-18.0 m	4.0 m
    Y	0.0 m	5.0 m
    Z	-4.0 m	8.0 m

12. 选择Operations > Background > Default Controls > Base Size节点，设置基准尺寸为5.0 m；

13. 右击Operations > Background > Custom Controls节点，然后选择New>Volumetric Control；

14. 重命名Volumetric Control为Overlap，选择Custom Controls>Overlap节点，设置零部件Parts为Overlap；

15. 选择Custom Controls > Overlap > Controls > Surface Remesher节点，激活Customize Size；

16. 选择Overlap > Values > Custom Size，设置Relative to base为25.0，即网格尺寸为基准值的25%；

17. 选择Custom Controls > Overlap > Controls > Trimmer节点，然后激活Customize Isotropic Size；

18. 在Operations > Background > Custom Controls节点再下新建一个Volumetric Control，重命名为Water Surface；

19. 选择Custom Controls > Water Surface节点，设置Parts为Water Surface；

20. 在Water Surface>Controls>Surface Remesher节点下激活Custom Size选项，并设置表面重构的相对尺寸为100%；

21. 选择Water Surface > Controls > Trimmer节点，并激活Customize Anisotropic Size；

22. 选择Water Surface > Values > Trimmer Anisotropic Size节点，并激活Custom X Size， Custom Y Size 和 Custom Z Size；

23. 选择Trimmer Anisotropic Size > Relative Z Size节点，并设置Percentage of Base为50.0；

24. 选择Background > Meshers > Trimmed Cell Mesher节点，激活Perform Mesh Alignment；

25. 选择Background > Default Controls > Mesh Alignment Location节点，并设置Location为[-125.0, 0.0, 0.0] m；

26. 选择Background > Default Controls > Volume Growth Rate节点，并设置Default Growth Rate为Slow；

27. 设置Surface Growth Rate为Slow；

28. 选择Operations > Overset > Default Controls > Base Size节点，设置基准尺寸为1.0 m；

29. 在Overset自动网格节点下，新建一个体积控制，将其重命名为Boat；

30. 选择Custom Controls > Boat ，设置Parts零部件为Boat；

31. 选择Custom Controls > Boat > Controls > Surface Remesher节点，激活Customize Size；

32. 选择Boat > Values > Custom Size节点，设置Relative to base为50.0；

33. 在软件上部快捷工具栏中点击Generate Volume Mesh，生成体网格，划分好的网格如下图所示。

移动重叠区域

1. 右击Regions > Overset选择Transform > Translate...；

2. 然后在Translate Regions窗口中输入参数如下图所示：

3. 右击 Tools > Coordinate Systems > Laboratory > Local Coordinate Systems节点，然后选择 New > Cartesian，然后在 Create Cartesian Coordinate System面板中输入如下图所示的参数：

4. 点击Create，并点击Close关闭局部坐标系创建面板，重命名局部坐标系为Boat Rotation；

5. 右击Regions > Overset，然后在弹出的菜单中选择Transform > Rotate...；

6. 在弹出的Rotate Regions窗口中输入如下图所示参数：

旋转后的网格如下图所示：

创建欧拉相

1. 右击Continua > Physics 1 > Models > Multiphase > Eulerian Phases节点，然后选择New；

2. 重命名Phase 1为Water；

3. 双击Water>Models节点，然后在Water Model Selection窗口中激活如下图所示的模型：

4. 重复上述步骤创建空气相，激活如下图所示的模型：

设置DFBI运动和六自由度体

1. 打开Tools > Motions节点；

2. 右击Motions节点，然后选择New > DFBI Rotation and Translation，这样就创建了一个新的DFBI Rotation and Translation节点；

3. 选择Regions > Overset > Physics Values > Motion Specification节点，设置运动为DFBI Rotation and Translation；

4. 右击DFBI > 6-DOF Bodies，选择New Body > 3D > Continuum Body；

5. 重命名Body 1为Boat；

6. 选择DFBI > 6-DOF Bodies > Boat节点，点击右边更多按钮，选择Lifeboat_wall边界作为Body Surface；

7. 设置自由体的质量为10000.0 kg；

8. 选择DFBI > 6-DOF Bodies > Boat > Initial Values > Moment of Inertia节点，设置如下图所示；

9. 选择Initial Values > Center of Mass节点，设置位置为[-8.22, 0.0, -24.329] m；

10. 选择Initial Values > Velocity节点，设置数值为[0.0, 0.0, -22.0] m/s；

11. 选择DFBI > 6-DOF Bodies > Boat > Free Motion节点，设置如下图所示。

定义VOF波

1. 右击Continua > Physics 1 > Models > VOF Waves > Waves节点，然后选择New > Flat；

2. 重命名Flat Vof Wave 1为Flat Wave；

3. 选择Flat Wave节点，设置Point on Water Level为[0.0, 0.0, -30] m，具体如下图所示。

设置初始条件

编辑Continua>Physics 1>Initial Conditions节点，设置属性如下表所示：

设置边界条件

1. 编辑Regions>Background>Boundaries>Inlet节点，设置属性如下表所示：

   节点	属性	设置
   Physics Conditions
   Velocity Specification	Method	Components
   Physics Values
   Velocity	Method	Field Function
   	Vector Function	Velocity of Flat Wave
   Volume Fraction	Method	Composite
   Composite > Water	Method	Field Function
   	Scalar Function	Volume Fraction of Heavy Fluid of Flat Wave
   Composite > Air	Method	Field Function
   	Scalar Function	Volume Fraction of Light Fluid of Flat Wave

2. 编辑Regions>Background>Boundaries>Outlet节点，设置属性如下表所示：

   节点	属性	设置
   Physics Values
   Pressure	Method	Field Function
   	Scalar Function	Hydrostatic Pressure of Flat Wave
   Volume Fraction	Method	Composite
   Composite > Water	Method	Field Function
   	Scalar Function	Volume Fraction of Heavy Fluid of Flat Wave
   Composite > Air	Method	Field Function
   	Scalar Function	Volume Fraction of Light Fluid of Flat Wave

3. 编辑Regions>Background>Boundaries>Bottom节点，设置属性如下表所示：

   节点	属性	设置
   Physics Conditions
   Velocity Specification	Method	Components
   Physics Values
   Velocity	Method	Field Function
   	Vector Function	Velocity of Flat Wave
   Volume Fraction	Value	[1.0, 0.0]

4. 编辑Regions>Background>Boundaries>Top节点，设置属性如下表所示：

   节点	属性	设置
   Physics Conditions
   Velocity Specification	Method	Components
   Physics Values
   Velocity	Method	Field Function
   	Vector Function	Velocity of Flat Wave
   Volume Fraction	Value	[0.0, 1.0]

求解器设置

1. 选择 Solvers> Implicit Unsteady节点，设置时间步长为0.0025 s，并设置时间离散为2阶；
2. 选择 Stopping Criteria> Maximum Inner Iterations节点，确认最大内迭代步数为5；
3. 选择 Stopping Criteria> Maximum Physical Time节点，设置 Max Physical Time为0.5 s；
4. 选择 Stopping Criteria> Maximum Steps节点，取消激活 Enable。

设置场景

1. 新建一个标量场；

2. 重命名Scalar Scene 1节点为Volume Fraction of Water；

3. 选择Scenes>Volume Fraction of Water>Scalar 1>Parts节点，点击Parts属性右侧的“更多”按钮；

4. 然后在弹出的Parts对话框中选择边界如下图所示；

5. 展开 Scenes> Volume Fraction of Water> Scalar 1，选择 Scalar Field，然后设置函数为 Volume Fraction> Volume Fraction of Water。

计算结果

1. 点击工具栏中的初始化，可以看到初始流场结果如下图所示；、

2. 计算结束后形成的动画结果如文章开头所示。 完。