多相流计算之油箱晃动

本案例演示利用Fluent中的VOF模型仿真计算密闭油箱晃动过程中的自由液面问题。

1案例描述
汽车在颠簸的道路上行驶时，在变加速度作用下，可能会导致油箱内液面晃动。当晃动极为剧烈时，甚至会造成油泵无法吸取燃油，因此需要利用CFD研究油箱在晃动过程中液面分布情况。为简化计算，本案例采用2D模型，3D模型的仿真思路及设置过程与此完全相同。计算域几何如图所示。



对于油箱晃动过程，在Fluent中有两种方式进行解决：

指定加速度。Fluent中可以指定流体运动加速度，并将加速度以体积力的形式施加到计算域中的流体上。然而Fluent并没有提供变加速度的直接添加，若要计算变加速度情况，则需要手工分段计算。

指定计算域速度。将加速度或位移数据转化为速度添加到计算域上。可以通过DEFINE_ZONE_MOTION宏或PROFILE文件的方式进行指定。此方式要比加速度方式更加灵活。

本案例假设计算区域的运动速度为：


2模型及网格
案例模型极为简单，在SCDM中创建0.6x0.3m的矩形平面，采用网格尺寸0.003m，在ICEM CFD中生成网格，共生成20000个四边形网格。



3准备UDF
利用UDF宏DEFINE_ZONE_MOTION指定区域运动。



该UDF宏可以以编译或解释的方式加载。

4Fluent设置
以2D、Double Precision方式启动Fluent，导入网格文件

4.1 General设置
双击模型树节点General，右侧面板激活选项Transient及Gravity，设置重力加速度为Y方向-9.81 m/s2



4.2 Models设置
鼠标双击模型树节点Models > Multiphase，弹出的对话框中激活选项Volume of Fluid

激活选项Implicit Body Force，其他参数设置如下图所示



右键选择模型树节点Models > Viscous，点击弹出菜单项Model → Realizable k-epsilon激活湍流模型



4.3 Materials设置
添加材料water-liquid，采用默认材料参数。这里可以将材料参数改成汽油的参数，我就懒得改了，后面就用水代替油了。

4.4 Phase设置
右键选择模型树节点Models > Multiphase > Phase > Primary Phase，点击Edit....



设置主相为air



相同方式设置第二相为water



鼠标双击模型树节点Models > Multiphase > Phase > Phase Interactions，弹出对话框中设置表面张力系数为0.071，如下图所示设置



4.5 解释UDF
右键选择模型树节点Parameters & CUstomization > User Defined Functions，点击弹出菜单项Interpreted...



弹出对话框中添加源文件mov.c进行解释



4.6 Cell Zone Conditions设置
鼠标双击模型树节点Cell Zone Conditions，右侧面板中设置区域类型为fluid，点击按钮Edit...



激活选项Mesh Motion，设置Zone Motion Function为zonemotion，点击OK按钮关闭对话框



点击按钮Operating Conditions，如下图所示进行设置



4.7 Methods设置
鼠标双击模型树节点Solution > Methods，右侧面板按下图所示进行设置



4.8 Region定义
右键选择模型树节点Solution > Cell Registers，点击弹出菜单项New → Region...



弹出对话框中设置区域（0 ，0）→（0.6，0.15），点击按钮Save/Display



4.9 Initialization设置
鼠标双击模型树节点Initialization，右侧面板点击按钮Initialize



点击Patch...按钮打开对话框，如下图所示，patch前面标记的区域water相体积分数为1



4.10 Run Calculation
双击模型树节点Run Calculation，右侧面板设置Time Step Size为0.001 s，设置Number of Time Steps为1000

设置Max Iterations/ Time Step为40

点击按钮Calculate开始计算



5计算结果
计算完毕后1s时刻液面形状如图所示。



注：经常有人问如何输出液位高度变化。其实很简单，做一个iso surface，定义water的volume fraction为0.5，然后输出iso surface的坐标就行了。