使用 SOLIDWORKS 流体仿真模拟自由表面流动

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自由表面流动是指流体与开放边界相互作用时发生的现象，例如水流冲击沙滩或在移动容器中晃动。它通常发生在互不相溶的流体（液体和空气）的界面处，因此在设计中正确考虑自由表面流动是一个挑战。

SOLIDWORKS Flow Simulation使我们能够模拟这些场景，捕捉完全互不相溶的流体之间的动态相互作用。SOLIDWORKS软件

SOLIDWORKS Flow Simulation 如何处理自由表面流

SOLIDWORKS Flow Simulation 使用流体体积 (VOF)技术来模拟自由表面。该技术通过追踪流体体积分数（取值范围为 0 到 1）来模拟流体流动。在两相系统中，流体的体积分数为 1，而气体的体积分数为 0。

两种流体的体积分数

自由液面的位置是指流体体积分数从零变为一的区域。为了评估这一点，SOLIDWORKS Flow Simulation 求解器求解一组动量方程，并跟踪整个计算域内每种不混溶流体的体积分数。

非牛顿流体的相关考虑因素

自由表面流动也可以用非牛顿流体（例如油、浆液或番茄酱）进行建模。非牛顿流体的建模基于这样的假设：流动的剪切应力是剪切速率的函数。例如，粘度会随温度、浓度或剪切应力而变化。

自由表面模拟允许的流体组合有：

> 一种气体和一种液体

> 一种牛顿流体和一种非牛顿流体

模拟自由表面流的示例

我们可以用橄榄油和水的混合物来演示自由表面流动。它们可以从两个不同的开口进入容器，然后从同一个出口流出。

研究设置

在本例中，每种流体的入口质量流量均设置为 0.0001 kg/s，并启用了重力效应。此外，我们还必须定义两种流体的体积分数和质量分数目标值，以及全局质量流量。这样做可以让我们计算系统的总混合率和总流量。

网格考虑因素

对于使用自由表面特征的模拟研究，精细网格至关重要。网格应足够精细，以捕捉两种互不相溶流体之间的界面。

流动研究中不同级别的网格细化

确定网格是否足够精细的一种方法是设定目标，测量每种流体的质量，并确保自由表面模型中使用的每种流体的质量守恒。可以运行几次迭代，每次迭代都细化网格，直到质量守恒在可接受的误差范围内得到满足。solidworks官网

结果

在这个例子中，由于存在数值扩散，导致油水之间缺乏清晰的边界。这种情况通常发生在模拟时间过长时，此时图中会出现混合的现象。这被解释为自由表面位置处的数值泡沫。

水的体积分数结果图

自由表面模拟无法模拟的内容

虽然 SOLIDWORKS Flow Simulation 是进行设计中流体研究的绝佳工具，但在某些应用中，您需要重新考虑如何准确地模拟自由表面流动。

> 未考虑相变

> 未考虑表面张力

> 不建议将高速应用应用于自由表面计算

水箱内水晃动的自由表面流动模拟

自由表面流的其他应用

SOLIDWORKS Flow Simulation 中推荐的自由表面分析应用包括：

> 水箱内液体晃动

> 油箱排空或加注

> 对船舶或其他大型船只的拖拽

> 水坝溢流

> 低表面张力流体研究

> 连续的流体喷射