[案例分析]STARCCM+入门系列之——VOF空化

在本案例中，我们将探讨如何在STARCCM+软件中设置模拟针对水的二维强迫流动问题，重点模拟在大气压条件下，流体通过具有狭窄入口的喷嘴后，流过充满空气的腔室，并经历空化现象的过程。研究中，喷嘴宽度约为1毫米。文章具体设置为，左侧边界设有5×10^7Pa的压力规定，而右侧边界保持大气压力状态。底边为对称面，其它边界则为固壁。

分析将强调多阶段流程策略，具体从物理属性、材料特性、相间相互作用、初始条件、边界条件以及求解器参数和停止规则方面详细分述，以确保模拟的准确性和有效性。

1. 物理属性与发展问题情景

在这项特定模拟中，所研究的问题包含了湍流流体与多相流体相互作用以及存在空化可能性的复杂特性。考虑到我们关注的流体（空气、水和水蒸气）共处一域的特性，仅需进行一次连续相和一个相空间的定义即可覆盖整个模拟场景。




2. 材料特性与相间相互作用设置

材料特性： 在STARCCM+的“模型”菜单下的“欧拉混相域”节点，“欧拉相”子选项中，建立覆盖范围包括水(H2O)、空气(AIR)、以及氢气水蒸汽(H2O(G))的三个相物。通过这一步骤，细致设定各相互作用物质的基本属性与行为规则。

相间相互作用： 利用右侧菜单的“多相交互作用”部分中“相互动”节点，新增VOF（体积分数法） VOF相互动模型，以及SchnerrSauer模型，这两种模型是针对空化特定现象的仿真需求设计。在满足多相干涉需要的同时，确保模拟过程中能够准确捕捉水与空气之间（以及水蒸汽形成过程）的动态交互。

3. 初始条件的精确设定

为了模拟水流随着喷嘴的锐角进入压缩区域并向外扩散的情景，初始条件被设置为仅在左侧（喷嘴入口）区域注入水，右侧（腔室空间）及通道中填充空气。实现这种分配策略借助于由 STARCCM+提供的场函数功能，确保起始条件精确匹配物理问题的边界设定。

4. 边界条件的明确配置

压力约束： 明确设置左侧边界为5×10^7Pa，对应与其后的水注入与加速效应相匹配的压力水平。同时，确定右侧边界为大气压状态，作为流动前后的压力对比。

5. 求解器参数和计算控制

模拟目标旨在细致解析整体过程耗时5×10^5秒，基于此，流程被分割为500个时间步骤，以及每步使用10^7秒的时间步长。这一设置确保模拟过程能在精确描绘动力学变化的同时，保持计算资源的有效管理与优化。