comsol流体动力学模型油箱的晃动.docx

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comsol流体动力学模型油箱的晃动

流体动力学模型：

油箱的晃动

模型背景

本案例模型表明COMSOLMultiphysics软件可以借助移动网格技术来仿真动态自由表面流动。

模型使用不可压缩Navier-Stokes方程来模拟液体的流动。

矩形油箱内的液体（甘油）原本处于静止状态。

运动由来回摆动的重力矢量来驱动，重力矢量的最大摆动角度为

。

由于液体的表面没有约束，该模型为一个不规范的计算问题。

然而，ALE（arbitraryLagrangian-Eulerian）技术可以很好的解决这类问题。

不仅仅是可以方便的在COMSOLMultiphysics中建立移动网格（ALE）应用模式，而且在移动网格求解域边界，它代表了自由的边界条件。

这也允许更加精确的估计边界条件特性，比如曲率，也使得表面张量分析成为可能。

本实例忽略了表面张量的影响。

模型几何、控制方程及边界条件

本模型使用不可压缩Navier-Stokes方程式来描述流体动力特性：

其中

移动网格

为了能够用动网格来跟随模拟运动的流体，必须将移动网格耦合到流体表面的法线上去。

结果是，对于这种自由表面运动，不能将移动网格耦合到流体运动的切线方向。

如果这样做网格会变形过度从而导致问题不再收敛。

自由表面的网格等式边界条件在这种条件下可写为：

（即u*nx+v*ny）

其中n表示边界的法向矢量，

表示网格的移动速度

模型数据

Parameters

Name

Expression

Value

rho

1270[kg/m^3]

nu

1.49[Pa*s]

phi_max

（4*pi/180）[rad]

freq

1[Hz]

g

9.81[m/s^2]

Variables

Name

Expression

Unit

phi

phi_max*sin（2*pi*freq*t）

rad

grav_x

g*sin（phi）

grav_y

-g*cos（phi）

分析结果要求：

在t=1s，t=1.2s,t=1.4s,t=1.6s时的速度场分布情况。

重力矢量的倾斜是由油箱的倾斜引起的。

追踪自由液面在X=0.5m处，时间段t∈[0,6s]的波峰高度。

建模过程

1.将所需的材料参数预先写如TXT格式的记事本文档中（包括全局定义参数Parameters，和变量Variables

2.运行COMSO4.2创建模型，选择2D——LaminarFlow（spf）层流和Movingmesh动网格——TimeDependent瞬态——生成

3.进入几何绘图界面，尺寸参数不用改变，长度单位为m,右键单击Geometry——选择Rectangle绘制矩形尺寸如图

4.生成集合，Formaunion

选择右上角BuildSelected键生成

5.定义流体属性

选择FluidProperties1,定义材料物理参数，如图，材料密度rho,材料动力学粘度mu

6.添加滑动边界条件，右键选择LaminarFlow，选择Wall（壁），在几何模型中选择如图所示1、2、4边，在Boundarycondition选项中选择Slip（滑移）

7.添加开边界，右键选择LaminarFlow，选择OpenBoundary，在几何模型中选择3边，其余保持默认设置

8.添加体积力，右键选择LaminarFlow，选择VolumeForce，选中体积力作用区域1（如图几何模型区域），在Volumeforce中输入体积力Fx=rho*grav_xFy=rho*grav_y

9.定义移动网格，添加自由变形区域，右键选择MovingMesh选项，选择FreeDeformation，并选中自由变形区域，几何模型1，如图。

10.定义网格位移，右键选择MovingMesh选项，选择Prescribedmeshdisplacement,在几何模型中选择1、4边，定义x方向的位移为0（将y方向位移前的

去掉）

11.同10步，定义2边的位移，x、y方向的位移都为0

12.定义开边界上的网格移动速度，右键选择MovingMesh选项，选择PrescribedmeshVelocity,在几何模型中选择3边,conditionsystem选项中选择BoundarySystem1（sys1）,定义法向速度

Vn=u*nx+v*ny

13.划分网格，选择自由三角形网格，网格质量选择Fine

14.求解器定义，选择Step1:

TimeDependent，按如图所示设置，Times中设置分析时间步及步长range（0,0.1,6）时间从0到6秒，步长为0.1秒；右键单击Study1，选择ShowDefultSolver

显示默认求解器，点击solverconfigurations——solver1——TimeDependentSolver1,按如图所示设置，Relativetolerance（相对容差）设置为0.001；选择下面的Advanced（高级），将Erroestimation设置为Excludealgebraic（不包含代数）

15.点击Study1，选择右上角的Compute（计算），开始计算。

16.查看结果

17．绘制一点的速度曲线图

右键单击Result，选择1DPlotGroup，创建一维绘图组

右键单击创建好的1DPlotGroup，点击PointGraph,在几何模型中选择要绘制图形的点，在pointgraph栏中选择要绘制的物理量，如图选择Velocitymagnitude（spf.U），绘制速度曲线图，点击右上角的Plot，完成绘图。