comsol流体动力学模型(油箱的晃动)

1、流体动力学模型：油箱的晃动模型背景本案例模型表明 COMSOL Multiphysics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4。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（arbitrary Lagrangian-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

2、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:uT u uI u u Ftu 0Fxgsin max sin 2 ftFy g cos max sin 2 ft其中 g9.81m/s2, max 4 /180, f 1Hzmax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。

3、自由表面的网格等式边界条件在这种条件下可写为:Txt, ytn u n (即 u*nx+v*ny)其中n表示边界的法向矢量，xt,yt T表示网格的移动速度模型数据ParametersNameExpressionValuerho1270kg/mA3nu1.49Pa*sphi_max(4*pi/180)radfreq1Hzg9.81m/sA2VariablesNameExpressionUnitphiphi_max*sin(2*pi*freq*t)radgrav_xg*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

4、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tC 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 Variables2 .运行COMSO4.2创建模型，选择 2DLaminar Flow(spf)层流和 Moving mesh动网格一Time Dependent 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0.1-0.2-0 1陶 »17J1 MB.小 CflWErawice

5、Pkit 1Coiwwencc Hot 24处百" " , _ Praams I Lcq 歌皿他|COMSCt 42nl 轴Co呷let* nntsh coftsists of ”8 口所屯然.NiMtar of tltgrMihefedym 归/1EM和射刖 tim< (5tydy 1)：却 5-U.44.生成集合， Form a union】Uriititied.niph - COM5OL MultiphysiuFile Edit View Options Help口 & 0 S德曲E Q 6.Mode) Builder k=已. F .阳上,> U

6、ntitled.rrfuh，三 Global DeiftitiorisPi Pararretert f Mod目卜 F Definitionc.y Geometry 1匚I Rftrtanglel (rl)网 Fo- m Unior (fin)翻 Mster'alsz =i= Laminar Flow (ipffFluid Properties 1一r Wall 1Initial Valu6lO Wall 22j Open Boundary 1 VHuee Force 1'_ Moving Mesh (uie)zi F证d Mesh In Prescribed Mcih DiF

7、ree Dffcrmation 1_r Prscribed leih Di-r Pre5cnbed Mesh Ui.j Prescribed Llesh Vee F： Mesh 1rrl iettingi Mattridl &rowterKU Z1 -1* FinalizeEuildSeleded JI-l FinalizeFinalizsion method:Fcrrri unionRelative repair tolerance:1«-6U Graph口丁0,30.2* o.f0-0,1-o.f-0.3-0.4选择右上角Build Selected键生

8、成5.定义流体属性选才F Fluid Properties 1,定义材料物理参数，如图，材料密度rho,材料动力学粘度 mur Untitled.imph (root). Global DefinitionsPi PsrameteBModell (modi) E DefinitionsGeometry 1匚I Rcctsnglel (rl) 图Fornn Union (fin)隈 Materials/ Lamirar FlowfspfFluid Properties 1Q WdllO Initial Values 1n WHI 2_j Open Boundary 1 Volume Force

9、1Moving Mesh 仲闾O Fixed Mesh 1_j Prescribed Mesh DiFr-ee Deformation 1Prescribed Mesh Di _r Prescribed Mesh Di Prescribed Mesh Vt Mesh 10 Size限 Fr«e TrianguMla 鑫 Study 1Step 1: Tim e D epend日 广Solver ConfigurationsFluid PropertiesDomain SelectionSelection:I dcrif niT Override and Contributionk E

10、quation，Model Inputs Fluid PropertiesDensity:P User definedrhoDynamic YiK"ity;* Uier definedmij6.添加滑动边界条件，右键选择Laminar Flow,选才W Wall（壁）,在几何模型中选择如图所示1、2、4 边，在 Boundary condition 选项中选择 Slip（滑移）I.r 口/U丽M加油 =小的修0收诵&Pi pjiiimctfiff事 I1 McdEJlfiTOtTl1 Cldnii!5%A qirEBirj 0猊 ertin4 <el T#料 form

11、UrKn fj9 Mntriilte国 c lEiarFiEWallBouiwiarf ,rird1、4:出-rj a Orf<fidP MHf ClftWiCtfl 1klMIdM>¥ (.WMlCkMiEQkdy e耳ddlK>n;A Mill13 Ml?,j Open Bcund«ryl.'rTiij-riiie Ftp reeld 颦 MMn9 Muii 1*0!euO 打I Mesh 1 冉匕二nbedlVwh l iffee Delc-rn-uitiDn 1.j 鼾一1nbedMeSih 西和一riXWch -Jj打解鹏,J.隔金L%

12、1r"十 Teiqu «i 17.添加开边界，右键选择Laminar Flow, 选才0 Open Boundary,在几何模型中选择 3边，其余保持默认设置j t MiHKl.EM finelyl F G巾bd DdinrtiDftsPi Parametersd , hkidd 1 t'mcrfljF = ftdiHrtiOhid / Stom-rtry 1口 Rj&LtmqLifH洞 Fo-trili Uriirn f整M1*告山t二二 LamirurFlow 询？Fluid Propedlks 11宛加工匚 tialYaL-fil gww?- Open

13、 boundiyl C V削unwF&rsL j 工 MduingLkh 佝蚂_ FtoEd MHi 工PfiKtbeflMish Ci FrT C&iriMkini 1Lf Pnac?ibcd Msh DiP'fitsCTbcd Meh DiI'D-Mftli Vta i 说 hejhl2M叼 FmTriMfulA 1 事国知dyliJtcpl： Time SeptntJaUoundary 5>clectwri门卜 Owcrridc and toiTtributkNi卜 Lq iMtion, Boundary Candftiw>Eciur jarv

14、 ccdrtcn:Noimfll 由口】Nbrrrul sUbsje8.添加体积力，右键选择Laminar Flow ,0,5-0.20口上Log选才V Volume Force ,选中体积力作用区域1 （如图几何模型区域），在Volume force中输入体积力 Fx=rho*grav_xFy=rho*grav_y,i Ti UntidEd rrpn -rxi'/ = Globa D¥ nitonsVolume ForceDomain Selettiwi':arimneR.1斤刘1伽加：，三 Xfnitior.- 次err由y：匚 Redbngle

15、l f<-cr-n Union第 Mdltiislir无Lanineir Rw山宓?fluid Prop:sties 13 Wall 1i WOHub】QJW1I2一i Dpen Bcundal_ umeFcreel.-i' Mcving Meib ofe1'FsdMshlJ Prescribed Mesh Di廿 Pnscritel Men bi_> Prescribed Mesh Ci一 Prescribed Mob V(考 Mbhl川£»叵 FraeTpiangularld 案 StudvlSdectior MdnudJ卜 Override

16、 »d ComtriKitzon卜 Equation Vdu me ForteVclu*"ef:rceb/qraYjKKrhg*gr3wjy0-7Q.6。50.4030.20.1*0.2-0.3-0.45111 I-0.200.4o.aSd cation 1/口产 glk Owrrvdf dfbd Coritrtiulkinnilicl meih diiplacemen:% 】M»H3gn M .3 ftey ED Log IT ftgtfcCOMSOL 4.20.150C«mplc：tc. mtsh < cm/k erf 276 c cmenT；

17、.Nuinbcr * dcgic: af freedom solved fen L603Sotjfliontwne (Study 1： W s.9 .定义移动网格，添加自由变形区域，右键选择Moving Mesh选项，选择Free Deformation,并选中自由变形区域，几何模型1,如图。Pi出MoJtl 1皿&三 DEfimticnj GiEomefefyl口 RectJhylel |?JI Foim Union 侪nJ dl Makriebj / Lamun2ir Flow spffFluid Pr&ptrttas 1 O Wtllli Initial V«l

18、unI-Wall 2二 ScHjndiiylO Volum 仔 FqkrI n - Moifl ng iMrsh 佃悔 Fwcd Mahl 。PeEzriMdM5 DiFree Defarmali 1 Pmribcd Mrsfi Di _j Piresznbedl Mesh Di > PremznMdl IJeeH Yi 金 O Me Lp | -rec Ircng jlarlj 之: Stud/l女甲 1: Tirr e DeperideT jJ. Soker Ccnfigiuidticns奈Conn pule tqu aci u,r Dtp4ndent Va-i10 .定义网格位移，

19、右键选择 Moving Mesh选项，选择Prescribed mesh displacement,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）d - 屯toti期 口SnrtjUM Par白met电信右 Mode 1 km三 DefinjLiOhS七 3 Gecmeiyl匚 Rectgk 1 (fl)例 Form Um 二 口 钠翕 MiterjIe£ 与 Lam iru r F g 印 FL id P ropiErti£>L匚Wil二 InibM XIuesl石出川2E Dp-aii Socndziy L"Volume Fg

20、rcel* '_ MmnqM更h p理 Fgd Mesh 1 Presented M©h DisphFpccOcftTmatiGnl1 Pits门 HdMxhDMG® Pin3b«l Mxh Di甲d石口rxfribfdw汽h "6r Q rx«h 1国与欣国 FrecTnanguIjrl壮邑电力1飞Step 1 Time D ependent 5o!jl Ucinfiw用中期小成War】S-iliCtlW： MariuaiI Override Jind <MthbiMK>n. 1cgEiz% Sst&nn Sele

21、ct inafiLDcrd nats syUemGtobil CDOrdiat，. Prescribed M«h Dtsphcemcrrt“P-图tnbedxdilacftrwitd. 0ePreset bed y dijpla£EmnMerges 这Pregres: LogResuHiCOWSOL J2jO 150Compfeie meiJiof 276 elements11.同10步，定义2边的位移，x、y方向的位移都为012.定义开边界上的网格移动速度，右键选择 Moving Mesh选项，选择Prescribed mesh Velocity,在几何模型中选择 3边,

22、condition system选项中选择 Boundary System 1(sys1),定义法向速度Vn=u*nx+v*ny M deM 1 fmorf二 DetiratiorLS士 ,、Geometry 1匚 F.tt= ngiE 1 %砌 Ferm UniDn (6f*s海 Mnlnnh上上 LaminarFIcwu (iflQFluis Prc?perriE 1& Wahlinitial VbIus 1二？ 生3门 Bcunsiaiy 3 V slums Rf：£l:二M M nvin g lileiihFned Msh 1 PTEEznbxd Mesin Dies

23、 laFree Detformation 1fB Pr«aribed U&sh Dkpla ;.i Pm.-nbcd MeJn Di.l» FrSCTilKdMesin VS1CCT£ 3 Mshl出小iPflplj FrefTriangiJflrlh Stet： 1： Time Dtpen 比匹 S&lytrQwfigu毗iwxmon; Mbhli* Over rid# >nd Cofiilsriburtfen Cog rdi rote 9 aem SelectionCy-r-J fid 1 吗l目H：Bwndfliy SfJeni 1 J

24、*. Presaibed! Mesh Vehcity_阳口3y由 I。 '1 ELrecribid n vdocit)1%* nrni*u*flyM0.6 o50.4Oj'"O.fC.fI 110411o2-0 3'-0 4.n J -II n -0200.2040.60.B11.2'1'M曰39" ='* Pgyett ： Lug ："斯£iJkCQMSCL4J.0J50Complete rrsln cgrrsijKs 哨/& element13.划分网格，选择自由三角形网格，网格质量选择Fine

25、solver 1j<T Time DependentStudy SettingTimes：wnguQO.l 间Relative to I era n:e；Resuks While SolvingFr« Triangular 1Physics SetertionDiscretization七 ID PlctGroup 3Values of Dependent VariablesRewB一Time Dependent Solver 1,按如图 选择下面的 Advanced(高级)，将，¥ Derived ValuesE -XITables.Velocity (spf) S

26、urface 1 Procure (tpfl步长range(0,0.1,6)时间从0到6秒，步长为显示默认求解器，点击 solver configurationsPhysics settingsPhysks settings14.求解器定义，选择 Step1:Time Dependent,按如图所示设置，Times中设置分析时间步及所示设置，Relative tolerance (相对容差)设置为 0.001Erro estimation 设置为 Exclude algebraic(不包含代数 )0.1 秒；右键单击 Study 1,选择 Show Defult Solver.Open Bau

27、rdary 1 Vclurne Force 1'Moving Mesh (ate).Fixed M«sh 1-> Prescribed KTesh Displa Ffpf 口哥口 rmatinn 1./ Prescribed Mesh Dtsph . Prescrib«d Mesh Disph _j Prescribed Mesh Velcci-5i Mesh 1Step 1: Time Dependent % Solver Ccrifigurations；.CompileEquations:卜 u.v Dependert Variable 卜Time-Dep

28、end ent Sc0 ResultsPhy sks interfaceLaminar flow spf)Moving mesh (ale)GeometryMtshGeometry 1Meshl-*11Mesh SelectionMood Bdikcr可饵Setting黎 Mrter al 日 rmacrjGrcphio CGH/c.rgen'© Open Boundcirvl*C Volmme Far« 1.Mlcvimg fpfF.O 网，d M«ih 1n Pracrbed Mesh Diipil a cement Fmm DtfcNTnatiam_

29、J Pf«erbsd Mtsh Diitpllacem#rrt Prescribed Mesh DilpllacemErrt_j Pr&cntied Mesh V tic city 13 Me?h 1痣Firec Tri am gull ar 1ityd/1* Step 1： Time Dependenth So-Scr 匚牛 nfig urstiqriE僵 Solder 1Crmpile» Fqu«tionfi Ttm# D(n， DtpendltHl: Variiblts 1,/：._ TitriiE" C epe-i Jeti I Soev

30、er 1tnuhsr； Data，出Derived /aIlies田 TaoJes| Veccity (5pf'.Sniifacie 1g Tirr>o-Uopondont Sotvor GcfwrelDefined bystudr step; User derfinedlimerEFieOJ)s l-.JRehhve to 囱a ns:OifMl卜 AjMJfMldt* leiRTAFM-ft TimeStepplim)k Rcsubts While Solving> Uufptii AdvancedSi rig uhr ma 玲 natrk;M <rybeCo-n

31、sient initial zation Backward EulerErrcn 口li itm ti&n:ExU uM g 匕b r dkAllow mmpJfK ntinnbm；* L oqTixe-dependnt salver (BDF)Huwbcr 口f degrees af fxccdon solved EjUrtF 4irm .口卜 yti L mNF.T iir f-nund15.点击Study 1,选择右上角的 Compute （计算），开始计算。0 5。万0 3 of 0.1，o-0.1of0 304 ©时凸网脖(3_1 : Mede Bu IderF七件

32、地"VslumFFDrr# ! 士群Mav则七阐 O Fvrd Meh 19 PYietciibEd MshD Fnw EkfCTmitiGri _j P muiL 用 F/mhiCh j PpEbrd f/ssh Di_» P wLiiLiad Mt±h i i色 酋I Meth 1小时Free TrianguJ-ir 14 2 Scudy 1T Sep 1: Timf Drpendkr."%, Solver CamfiguiTi*ion:* 冏 1CgmpileEqu«TiF «*- DsperwlentVari'. Ti

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35、几何模型中选择要绘制图形的点，在 point graph栏中选择要绘制的物理量，如图选择 Velocity magnitude(spf.U),绘制速度曲线图,点击右上角的Plot,完成绘图。I - -u-r 41* contour frlD Pot G-oup 3 rrpo.*Gr>phl 曲 rpoft& Mayer L ®Pbyer 2 W-SC2-4Axb Da Ns.om § Umt m-s(Descl-pbon:Y 6 <xityrr3g、-tude千AxkData PJ-Mnas T-me CokwingMdStyle0.25 0.2 05Defiito-nselocity magnitcIrminafHOW Moving Meh soke- Gecmetry&d