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发布时间：2024-12-15 11:56

　　3．球阀的自由运动模拟

　　在上一篇文章中我们已经讲过，不同的网格运动控制方法，STAR-CCM+提供了三种DFBI的运动控制策略。对于止回阀的运动模拟，可以采用网格变形的方法和嵌套网格的方法。两种方法都有各自的优点，然而对于小位移的刚体运动来讲，网格变形方法需要的计算代价要远小于嵌套网格方法。

　　此案例中止回阀的球阀运动自由度有3个（不考虑转动），在这里我们对比一下DFBI的刚体运动选项中，全自由度运动与单自由度运动的区别。单自由度运动的方式，可以设置刚体运动的最大位移限制，以确保当刚体平移达到设定极限时能够停止移动。这确保了运动刚体不会与环境边界相交，使刚体运动引起的网格变形在导致出现负体积之前停止。相比之下，全自由运动DFBI中，没有设置最大限制的选项，为了避免刚体穿出计算域，取而代之的是，使用了刚体耦合的方法，模拟刚体运动与周围壁面的接触，在刚体与周围的壁面相交/或产生负体积单元之前停止刚体的运动。对于此次仿真，我们将使用接触耦合模型。

　　（1）设置DFBI网格变形

　　1.确保物理模型激活了隐式非稳态选项，DFBI属于非稳态的物理问题。

　　2.在工具->运动节点下，创建“DFBI 网格变形”运动形式。

　　3.在计算域下指定计算域的运动方式为2中的“DFBI 网格变形”。

　　4.除了球阀壁面之外的其它壁面，网格运动形式全部设置为“固定”。

　　5.在球阀壁面边界，指定边界运动方式为“6自由度刚体”。

　　6.此时，在STAR-CCM+目录树会自动创建新的DFBI节点，在此节点上点击右键，选择创建3D连续性刚体。

　　7.指定新建的6自由度刚体对应的壁面边界，即球阀壁面。以及指定刚体的质量为0.5kg。

　　8.在刚体运动选项中，我们使用默认的“全自由度运动”选项。

　　9. “全自由度运动”允许我们考虑刚体6个自由度的运动，当然我们也可以在此基础上冻结一些不必要求解，或者不存在运动的自由度。此案例中，我们只激活三个平移方向的运动，并不考虑球阀的旋转。

　　10.在初始值选项中，指定刚体初始形心的位置。关于如何确定形心位置及转动惯量，可以参考上一篇文章中分享的材料。

　　11.为了模拟球阀与周围壁面的接触关系，在DFBI的刚体耦合节点下，创建一个“接触”。

　　12.在“接触”选项中，目标1和目标2分别设置为刚体1和环境。

　　13.接触表面选择球阀周围的壁面作为接触的输入对象。

　　14.设置法向力、切向力和作用范围，细节我们在后续会讨论。

　　（2）网格建议

　　不要过度细化网格：很多时候仿真工程师可能倾向于在自由运动物体周围的区域中细化网格。但是当边界变形使单元受到挤压时，单元体积会减小。随着单元体积的减小，有可能减小到负体积，致使求解器崩溃停止。网格过于精细会导致单元的体积相对较小。体积较小的单元在减小到负体积之前不会提供较大的运动范围。因此，生成的网格，既要防止变形期间出现负体积单元，同时还保持最佳求解精度。

　　球阀表面2-3层棱柱网格：太多层的棱柱网格会导致棱柱网格过小，变形过程中容易出现负体积。

　　对变形区域网格使用体控制：这确保了球阀周围网格的均一性。在网格变形过程中，小体积的网格将主导大体积网格的运动。所以单元体积的均匀分布可确保所有单元在形成负体积之前具有相似的变形范围。

　　球阀居中放置：有利于网格均匀化，相反，如果球阀距离某侧壁面过近，将导致近壁面区域生成的网格过小。均匀的网格能够确保球阀在任意方向运动时不发生错误。

　　（3）接触耦合

　　打开接触耦合模型后，该模型会考虑刚体与环境壁面之间的接触力，该力是环境与刚体之间距离的函数。该模型必须设置三个关键选项：有效范围，法向力系数和切向力系数。有效范围决定了接触耦合力的开始起作用的范围。换句话说，当两个边界之间的距离达到有效范围时，接触力开始起作用。但是，这并不意味着刚体将在指定的有效范围内停止移动。球阀停止移动的距离取决于于法向力的弹性系数。必须根据流体的动量和刚体的质量选择适当的弹性系数。关于如何设置合理的弹性系数，请参考本文最后的附加文件链接。

　　根据链接的文章可以计算出一个有效范围，使刚体不与壁面边界相交。对于网格变形的DFBI问题，有效范围还需要进一步微调，以确保网格不会变形为负体积。输入不同有效范围的效果如下图所示，可以看出，有效范围越大，刚体与壁面的最小距离就越大。此外，STAR-CCM +还可以模拟刚体与环境边界之间的动摩擦，需要输入摩擦系数以精确计算动摩擦力。