Star CCM+ ：迎浪小船 DFBI
在Star CCM+中，DFBI（Dynamic Fluid Body Interaction）模型可用于模拟刚体与流体的相互作用，可以计算刚体所受的力和力矩，并模拟刚体在与流体相互作用下的运动。
下面仿真案例主要翻译自Star CCM+软件的user Guide文件，略有修改。使用的软件版本为 STAR-CCM+ 2019.1（14.02）。
模型及材料参数设置
- 1.启动软件，按Ctrl+N快捷键，然后按Enter键确定，新建一个模拟。
- 2.如下图步骤，导入网格文件boat.ccm，然后保存该模拟为boat.sim。可以打开一个Geometry Scene看一下模型，考虑到模型的对称性，流体域和小船只有一半，见下图。
- 3.选择continua -> Physics 1 -> Select models 选项，如下图。
- 4.按下图红框中的选项，选择连续体的物理模型，选择完成后点击close关闭。可以展开Physics 1 -> Models节点查看选择的模型。本次模拟中涉及到水和空气介质，因此选择了多相流模型，并选择了VOF和VOF Waves模型以模拟自由界面和水面波动。其他的都是流动仿真常用模型。
- 5.上面既然选用的多相流模型，那么就需要创建多个相（水和空气）。展开Continua -> Physics 1 -> Models -> Eulerian Multiphase，然后右键Eulerian Phases，单击New，在Eulerian Phases下面创建了一个名为Phase 1的节点。将Phase 1重命名为Water，即定义水相。
- 6.右键Water -> Models选项，点击Select models…，然后再弹出的对话框中一次选择Liquid、Constant Density，参考下图。
- 7.同样方法创建水相，不同的是在Select models时选择Gas而非Liquid。创建完成后可以展开查看一下两相流体介质，Liquid和Gas默认的介质分别就是水和空气，因此不需要再修改。
- 8.点击保存按钮，将模拟保存一下
设置6-DOF 运动模型
- 1.展开Tool节点，找到下面的Motion节点，右键Motion，选择New，然后点击DFBI Rotation and Translation选项，如下图。然后可以看到在Motion下新增了一个DFBI Rotation and Translation节点。
- 2.向上回到Region节点，依次展开Region -> Region_1 -> Physics Values，选择Motion Specification，在Properties的Motion选项中将原来的Stationary改为DFBI Rotation and Translation. 然后你就可以在节点树上增加了DFBI节点，以及在Solver下增加了6-DOF Solver和6-DOF Motion节点。
设置运动体的初始坐标系
- 1.展开Tools -> Coordinate Systems -> Laboratory节点，右键Local Coordinate Systems，选择New -> Cartesian，单击。
- 2.在对话框中修改X和Y的方向为-1，如下图。然后将新建的Cartesian 1重命名为Initial ship orientation。
创建6-DOF运动体
1.右键DFBI -> 6-DOF Bodies 节点，选择New Body -> 3D -> Continuum Body，然后就创建了一个Body 1节点，将其重命名为Boat。
2.按下图步骤定义代表Boat的面
3.设定Boat的质量和释放时间分别为400kg和0.5s
4.展开Boat下的Initial Values，选择Moment of Inertia定义其转动惯量为[1000, 1000, 1000] kg-m^2. 然后将坐标系Coordinate System改为上面创建的初始坐标系Initial ship orientation，并激活Use Center of Mess选项。
5.将Orientation和Center of Mass的坐标系也改为Initial ship orientation
6.选择Boat下的Free Motion节点，定义Boat的运动方式，在Properties中激活Z Motion和Y Rotation选项。
7.保存。
定义VOF Waves
- 1.展开Continua -> Physics 1 -> Models -> VOF Waves，右键Waves，选择New -> Fifth Order，在Waves下创建了一个Fifth Order Vof Wave 1的节点，重命名为Head Wave
- 2.修改Head Wave的属性，如下图
设置初始条件
- 1.选择Continua -> Physics 1 -> Initial Conditions -> Volume Fraction，修改属性Method为Composite。
- 2.修改Water属性Method为Field Function，然后点击Scalar Function右边的Select Function，在Water-Scalar Function对话框中搜索heavy，选择Volume Fraction of Heavy Fluid of Head Wave选项，OK。同样的方法将Air的Scalar Function设置为Volume Fraction of Light Fluid of Head Wave。
- 3.类似的方法将速度和压力分别设置为Velocity of Head Wave和Hydrostatic Pressure of Head Wave
设置边界条件
- 1.边界条件的设置和初始条件有些类似。找到Region -> Region_1 -> Boundaries -> inlet -> Physics Conditions -> Velocity Specification节点，修改Method为Components
- 2.找到前面设置过的初始条件Continua -> Physics 1 -> Initial Conditions -> Volume Fraction节点，单击选中该节点，然后按Ctrl+C或右键选Copy进行复制操作，这样里面的设置就被复制了。
- 3.回到Region -> Region_1 -> Boundaries -> inlet -> Physics Values -> Volume Fraction节点，然后按Ctrl+V或右键Paste进行粘贴操作，这样上面复制的设置就拷贝到这里了。然后把Velocity设置为Velocity of Head Wave。
- 4.选择Region -> Region_1 -> Boundaries -> pressure -> Physics Values节点，将Pressure设置为Hydrostatic Pressure of Head Wave。Volume Fraction按上面拷贝方式设置即可。
设置求解器参数
- 1.设置时间步长为0.01s
- 2.设置内迭代步数为5，最大计算物理时间为2s。
后处理的一些设置
创建自由界面
- 1.先打开Geometry Scene，然后右键Derived Parts，选择New Part -> Isosurface。
- 2.选择Scalar为Volume Fraction of Water。
- 3.Isovalue设为0.5，display按图示设置即可。
- 4.然后单击create创建，把生成的Isosurface节点重命名为Water Surface
为自由界面创建一个Colormap
- 1.右键Tools -> Colormaps，选择New，创建了一个新的user 1，重命名为Water
- 2.按下图把颜色调成这个样子，其实就是为了把水面的波动明显的显示出来，操作和颜色都可以自由发挥。
显示出自由界面
- 1.新建一个Scalar Scene
- 2.Scalar Scene创建成功后会自动打开，从上边切换到Scene/Plot界面，展开Displayers，双击Outline让它隐藏，图标颜色会变浅。
- 3.Scalar 1的Part设置为Water Surface，Scalar Field设置为Volume Fraction of Water，其他设置如图。
- 4.把Color Bar替换为前面创建的Water，其他设置如图
- 5.设置Scalar 1，原模型和计算域都是一半，Transform把模型对称了一下，这样就看到完整的船体了。
- 6.右键Light节点，选择Head Light，然后就只有第一个亮了。然后把第二个Light打开。
创建DFBI Displayers
1.右键Displayers，选择New Displayer -> DFBI，生成DFBI 1，将Part设为Boat
2.更改不透明度Opacity为0.5，Transform为symmetry 1.
3.创建另一个DFBI，Part设为Fluid Force and Moment
4.设置Relative Size的Vector Glyph Length为50%，设置DFBI 2的Vector Length为Vector Magnitude
5.这样就可以观察小船的运动了，其他后处理从略，可以自行添加。
看看结果
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