Ansys FreeFlow入门：对搅拌罐进行建模

平滑粒子流体动力学 （SPH） 是一种创新的无网格模拟方法，非常适合对具有自由表面和移动边界的复杂流体流动进行建模。本博客介绍了SPH的基础知识，探讨了其在具有连续入口和出口流的搅拌罐应用中的优势，详细介绍了Ansys FreeFlow中的设置和预处理，讨论了求解器执行和后处理功能，并重点介绍了工程师探索下一代CFD工具的实际注意事项和可视化技术。

挑战

模拟搅拌罐绝非易事。几何形状结合了旋转机械、复杂的自由表面行为，有时还结合了多个入口和出口。叶轮叶片周围的网格变形、频繁重新网格划分以捕获飞溅或涡流形成以及阶段之间难以跟踪界面都会减慢设置速度。

这些挑战使搅拌罐成为平滑粒子流体动力学 （SPH） 的绝佳测试用例，其中基于网格的无网格粒子方法可以自然地处理移动边界、自由表面和大变形，而无需不断更新网格。

工程解决方案

平滑粒子流体动力学 （SPH） 已成为一种越来越流行的无网格方法，用于模拟自由表面流、多相问题和高度可变形流体。Ansys FreeFlow是使研究人员和工程师能够利用SPH的开源工具之一，它是一个仿真环境，具有简洁的设置界面、强大的可视化功能和灵活的预处理选项。

在这篇文章中，我们将介绍一个部分充满水的搅拌罐的 SPH 模拟示例，该罐配备了连续的入口流，并探讨 FreeFlow 的功能如何在从模型设置到后处理的每个阶段提供帮助。

FreeFlow 中的预处理

设置模拟涉及定义物理域、边界和初始条件。FreeFlow 的预处理工具使这一步变得简单：

定义墙壁和移动对象：可以创建静态边界（罐壁）和移动部件（叶轮叶片）并分配材料属性。可以赋予移动物体规定的运动或转速，使它们能够直接与流动相互作用。

要启用旋转或其他类型的运动，请先转到 运动帧（Motion Frame） 并创建一个帧（Frame） 来定义帧运动设置，如下所示。对于旋转运动，您可以定义相对位置和方向、角速度或加速度以及开始和结束时间。

要将此运动分配给对象，请选择该对象，然后在“数据编辑器”的“墙”选项卡下，将创建的运动帧链接到“运动帧”选项中的对象。

创建入口和出口：我们定义一个连续的供水入口，指定流量或速度曲线。我们还可以在域底部添加一个出口作为排水管。必须首先将入口和出口作为曲面导入到数据树的几何部分。然后将入口链接到导入的曲面，并指定质量流速或速度。

用于初始化的体积入口：可用于用流体颗粒填充初始域，确保一致的颗粒间距和初始密度。

您可以选择要初始化系统的流体质量、何时添加质量以及在什么位置。在这里，我们选择了罐壁来约束在 t=0 s 时添加的液态水。

材料属性：分配水密度、粘度类型和人工声速（用于 SPH 中的可压缩性控制）。声速应设置为流体达到的最大速度的 10 倍左右。模型的精度还取决于单元大小、核类型和核距离因子的选择。对于这个例子，我们保留了相对粗略的元素尺寸，用于初步研究并加快我们的结果。可以在数据 -> SPH -> 数据编辑器 -> SPH（选项卡）-> 模型参数（选项卡）中选择设置

结果

配置完成后，FreeFlow 将处理 SPH 求解器执行 - 计算粒子相互作用、更新速度和位置，以及应用每个时间步长的边界条件。对于连续加水和排水的搅拌罐，求解器可捕获旋转和混合流动模式，以及入流与叶轮诱导循环之间的相互作用。

我们可以使用工具组合来可视化液体表面以及粒子和固体表面之间的相互作用。我们将介绍一些可以为您的模拟添加有用见解的选项。

后处理和可视化

FreeFlow 的最大优势之一是内置后处理，无需导出到外部工具。您可以直接分析和呈现您的结果：

在模拟运行时，我们可以通过启用自动刷新来可视化结果。这是在运行的早期阶段检查模拟在物理上是否有意义的好方法，对于可能需要数小时才能处理的大型模拟特别有用

基于变量的着色：可视化按速度、大小、压力、密度或其他自定义标量场着色的流体。选择变量后，FreeFlow 会将它们列在颜色图中。这允许您使用相同的颜色设置并一致地缩放。

切割平面：切片 3D 粒子场以显示内部流动结构。非常适合隔离搅拌罐内被表面颗粒隐藏的区域。通过为 SPH 过程创建一个平面，我们可以可视化域子部分上的粒子。其他工具（如多维数据集和过滤器）可以提供有关后处理工作流程的有用见解。这是从切割平面生成的动画：

要设置平面的坐标，您可以使用“数据编辑器”面板中的设置，或在 3D 查看器中手动移动它。要使粒子仅从切割平面可见，请先使 SPH 节点不可见，然后在最近创建的平面的数据编辑器的着色选项卡中，选中可见框，选中节点框，然后选择要为节点着色的属性。

自定义用户流程：创建掩模、过滤器或选择工具，以仅可视化流动的特定部分（例如，入口喷射核心或叶轮尖端区域）。例如，可以将立方体标记回SPH并应用于过滤器，以可视化整个域中部分流体的路径，类似于示踪剂，使我们能够研究反应器中的混合。请注意，由于排空，储罐中的示踪剂质量需要一段时间才能减少。

质量流量图：监测一段时间内的入口和出口质量流量，即时了解稳态行为或瞬态波动。在这里，我们看到有更多的液体流出和流入，这意味着水位随着时间的推移而下降。因此，这还没有达到稳定状态。这就是我们绘制随时间变化的水总质量时看到的情况

动画和视频创建：将时间分辨的粒子数据导出为高质量视频，用于演示或报告。可以通过转到 工具 -> 动画来调用动画工具。打开后，您可以添加任何时间点的场景。

矢量：我们可以选择从 SPH 平面查看矢量，从而可视化流动方向。为了减少由于节点数量较多而导致的向量拥挤，您可以增加步幅数。在这里，我们看到叶轮在流体上引起的流动：

设置预处理和后处理工作流程后，您可以使用其他作参数运行仿真。在这里，我们将叶轮的角速度从 5 rad/s 增加到 20 rad/s。因此，我们可以看到叶轮对其附近流体速度的影响更大：

好处

Ansys FreeFlow集成了预处理、仿真和后处理，使其成为SPH建模的有力选择，尤其是当您需要在一个工作流程中移动边界、复杂的入口条件和高质量的视觉输出时。搅拌罐示例展示了您可以如何轻松地从概念到完全可视化的结果，而无需在多个软件包之间切换。

如果您正在处理自由表面流动、多相相互作用或流固耦合，Freeflow 提供了技术深度和可用性，可以帮助您实现目标。