使用SOLIDWORKS Flow Simulation模拟自由表面流

当流体与开放边界产生相互作用时，就会出现自由表面流现象，例如海水拍打海岸、液体在移动的容器中晃动等情况。这类流动现象通常发生在互不相溶的流体（液体与气体）的交界面处，在设计中想要对其进行精准考量，是一项颇具难度的工作。

SOLIDWORKS Flow Simulation 能够对这类场景进行仿真模拟，精准捕捉完全互不相溶的流体之间的动态相互作用。

SOLIDWORKS Flow Simulation 如何处理自由表面流

SOLIDWORKS Flow Simulation 采用流体体积法对自由表面进行建模。通过该方法，我们可对取值在 0 到 1 之间的流体体积分数进行追踪。在双相流系统中，液体的体积分数为 1，而气体的体积分数则为 0。

流体体积分数从 0 变为 1 的位置，即为自由表面的所在位置。为了对该位置进行确定，SOLIDWORKS Flow Simulation 的求解器会求解一组动量方程，并在整个计算域内追踪每种互不相溶流体的体积分数。

非牛顿流体的相关考量

自由表面流仿真也可应用于非牛顿流体，例如油类、矿浆、番茄酱等。对非牛顿流体进行建模时，需基于一个假设前提：流体流动的剪切应力是剪切速率的函数。例如，这类流体的粘度会随温度、浓度或剪切应力的变化而改变。

支持进行自由表面流仿真的流体组合类型如下：

• 一种气体与一种液体

• 一种牛顿流体与一种非牛顿流体

自由表面流仿真的实例演示

我们可以以橄榄油与水的组合为例，对自由表面流现象进行直观演示。将两种流体从容器的两个不同入口注入，再让它们从同一个出口流出，以此模拟自由表面流。

仿真研究设置

在本实例中，两种流体的入口质量流量均设置为 0.0001 千克 / 秒，且在该仿真研究中开启了重力影响的相关设置。此外，我们还需要为两种流体的体积分数、质量分数，以及全局质量流量设定仿真目标。完成此项设置后，我们就能对该系统的整体混合程度与总流量进行计算。

网格的相关考量

在使用自由表面功能开展仿真研究时，设置精细的网格至关重要。网格的细化程度需达到能精准捕捉两种互不相溶流体交界面的标准。

判断网格是否足够精细的一种方法是，设定仿真目标来测量每种流体的质量，确保该自由表面流仿真项目中所用的每种流体都满足质量守恒定律。我们可多次运行该仿真项目并进行迭代，在每次迭代中对网格进行细化，直至流体的质量守恒在可接受的公差范围内得到满足。

仿真结果

在本实例的仿真结果中，出现了一定的数值扩散现象，这导致橄榄油与水之间的交界面不够清晰、锐利。这种情况通常出现在仿真时长设置过长的情况下，仿真结果图表中会呈现出两种流体发生混合的视觉效果。这种现象可理解为自由表面位置出现了数值泡沫。

自由表面流仿真无法实现的模拟场景有哪些？

尽管 SOLIDWORKS Flow Simulation 是设计中开展流体仿真研究的优质工具，但在部分应用场景中，若要对自由表面流进行精准建模，你需要重新考量仿真方法，因为该功能无法对以下场景进行有效模拟：

• 无法考量相变化过程

• 无法考量表面张力的影响

• 不建议将自由表面流计算应用于高速流动的场景

自由表面流仿真的其他应用场景

SOLIDWORKS Flow Simulation 中，推荐开展自由表面流仿真研究的应用场景包括：

• 液体在储罐内的晃动

• 储罐的排空与注液过程

• 船舶及其他大型船体所受的阻力

• 大坝的溢洪过程

• 低表面张力流体的相关研究

• 流体的连续射流现象

以上就是自由表面流仿真的相关知识，想了解更多关于SOLIDWORKS Flow Simulation的信息，请联系智诚科技ICT 电话：400-886-6353，可提供仿真服务与软件教学。