VOF|06水箱冲洗模拟

导读：使用VOF模型模拟水箱的填充和排空。在水箱中设置初始水位，打开供水系统几秒钟后关闭，水位上升，直到水从U型管流出，产生虹吸效应，有效地排空水箱。

导入网格

• 打开Fluent,选择Solution，2D，Double Precision

• 打开后，File → Read → Mesh，导入tankflush.msh.gz网格文件（文末有下载链接，Asys版本2025R1）

  

常规设置及网格检查

• Physics → Solver → General

• 求解器选择ressure based, Absolute, Transient

• 点击Y分量前面的下拉按钮，选择“表达式”，然后输入-g。

  

• 检查网格，Domain → Mesh → Check

  

单位设置及网格显示

• Domain → Mesh → Units

  

• Domain → Mesh → Display，检查网格区域名称

  

操作条件及参考值

• 操作条件

  • Physics → Solver → Operating Conditions

  • 设置Specified Operating Density，默认𝟏. 𝟐𝟐𝟓 [𝒌𝒈/𝒎𝟑]，其他保持默认值

• 参考值

  • Physics → Solver → Reference Values，保持默认值

    

材料设置

• Physics → Materials → Create/Edit

  • 点击Fluent Database

    

  • 选择water-liquid

    

模型设置

• Physics → Models → Multiphase

  • 选择Volume Of Fluid

  • Number of Eulerian Phases保持默认2

  • 选择Explicit

  • 激活Implicit Body Force，点击Apply

    

• 在某些应用场景中，界面的高精度分辨率并非所有流体区域都需要。此时采用Sharp界面建模或结Sharp/Dispersed建模，可显著提升模拟结果的可靠性。但本案例需要实现气-水界面的高精度解析，因此建议在界面建模选项中选择Sharp方法。

相设置

• Physics → Models → Multiphase，选择标签Phase

  • 定义首相，输入名称Water，并选择Water-Liquid

  • 按照同样的方法设置次相Air

    

• Physics → Models → Multiphase，选择Phase Interaction标签

  • 激活Surface Tension Force Modeling

  • 选择Continuum Surface Force

  • 设置Surface Tension Coefficient为0.072 [𝑵/𝒎]，点击应用。

边界条件定义

• 右键Inlet，确保Direction Specification Method为Normal to Boundary，点击Apply

• 设置Inlet类型为mass-flow-inlet，右键water，点击Edit

  • 设置Mass Flow Rate 为20 [𝒌𝒈/𝒔]

    

• 对气相重复此步骤，并确保质量流量设置为0[𝒌𝒈/𝒔]

• Outlet类型为pressure-outlet，右键Edit

  • 设置其压力为0Pa，点击Apply

• 展开Outlet，右键Air，点击Edit，设置Backflow Volume Fraction为1

  • 对于VOF计算，设置回流体积分数很重要，这样可以避免错误的相进入区域。此处，如果发生回流，空气将进入区域而不是水，但一般情况下，根据具体问题，回流可能涉及任何相。

• 将边界条件从Outlet区域复制到ambient

  • 右键单击主Outlet，然后选择Copy

  • 在Phase下选择mixture，然后单击Copy

  • 将Phase改为air，然后单击Copy

    

求解方法及控制

• Solution → Solution → Methods

  • 设置Pressure-Velocity coupling为PISO

  • 其他保持默认

• Solution → Controls → Controls，保持默认选项

  

Vof稳定性控制

• Solution → Solution → Methods → Velocity Limiting Treatment

  • 激活Velocity Limiting

  • 设置最大速度限制50 [𝒎/𝒔].，点击OK

    

• VOF模拟中的非物理速度尖峰可能由多种原因引起，包括时间步长过大、物压力梯度不平衡以及自由表面附近的轻相的非物理加速。

• 时间步长的推进逐渐消退。但有时这些峰值可能失控增长并引发发散现象。限制最大速度值是防止速度无序增长和发散的有效手段。所设定的最大速度幅度应远高于任何自然状态下可能出现的速度值。此处预计最大速度约为5[𝑚/𝑠]，因此输入数值需比该数值高出一个数量级。

残差检测

• Solution → Reports → Residuals

  • 设置Iterations to Plot为100

  • 这将使残差在图中滚动，使其更容易看到当前的时间步

报告定义

• Solution → Reports → Definition → New → Volume Report → Max

  • 设置报告名称max-velocity

  • 在Field Variable中，选择Velocity → Velocity Magnitude

  • 在Cell Zones list中，选择Fluid，点击OK

初始化设置

• Solution → Initialization

  • 选择Standard Initialization

  • 点击Option

  • 激活Localized Turbulence Initialization

  • 设置air Volume Fraction为1

  • 点击Intialize

    

• 创建register，定义初始液面

• 右键Cell Registers，点击New → Region

  

• 按照下图设置坐标，最初水箱被注满6cm的水，因此输入坐标对应于6cm的高度

• 点击Save/Display，可以看到定义的区域

  

Patching设置

• Solution → Initialization → Patch

  • 在Phase中选择Air

  • 选择变量为Volume Fraction

  • 设置Value为0，空气相体积分数为0意味着水的体积分数为1

  • 选择region_0，并点击Patch

• 检查Patch结果，Results → Graphics → Contours → New

  • 将contour名称改为vof-contour

  • 选择Phases → Volume Fraction，并将Phase改为water

  • 点击Save&Display

    

    

自动保存设置

• Solution → Activities → Autosave

  • Save Data File Every输入50，并从下拉菜单中选择Time Steps

  • 设置文件名为tankflush

  • 点击OK

    

计算设置

• 定义指令，以便在0.25秒后修改边界条件：

• Solution → Activities → Create → Execute Commands

  • 在Execute Commands Manager对话框中，单击New

  • 设置名称为modify-inlet-boundary

  • 将Execution Type设置为Execute Once，并设置Flow Time为0.25S

  • 输入指令/define boundary-conditions modify-zones zone-type inlet pressure-inlet /define boundary-conditions pressure-inlet inlet air no 1

动画设置

• Solution → Activities → Create → Solution Animations

  • 修改名称为vof-contour-animation

  • 设置Record after every为0.1s

  • 设置Storage Type为HSF File

  • 定义保存路径Storage Directory

  • 在Animation Objects下，选择vof-contour

  • 点击OK并关闭

    

时间步长设置

• Solution → Run Calculation → Run Calculation

  • Type选择为Adaptive

  • Duration Specification Method选择为Total Time

  • Total Time设置为2.5s，Initial Time Step Size设置为0.002s

• 保存初始的cas跟Dat，File → Write → Case & Data

• 点击Calculate

  

计算过程及结果

• 计算过程中可以查看到残差变化及检测数据变化

• 查看体积分数云图

  • Results → Graphics → Contours → vof-contour

  • 点击Save/Display

• 查看动画

  • Results → Animations → Playback → vof-contour

  • 选择Write/Record Format为Video File

  • 设置名称为vof-animation

  • 点击write，即可输出动画

    

• 检查已保存的动画，以验证液面运动

  

  计算网格及结果文件可前往公众号（BB学长）检索同名文章。