基于SOLIDWORKS的自由表面流体流动模拟

　　不需要额外添加入口整流结构就能获得稳定的入流流态。折角过渡段是整个结构的设计核心，这里没有采用常规的直角转折或者大圆角过渡，而是通过连续曲率的自由曲面衔接水平段与垂直下落段，曲面的曲率变化沿流动方向逐步调整，避免局部曲率突变造成的流体脱壁现象，很多新手做这类结构的时候容易直接用倒圆角处理过渡段，结果模拟出来会在转角处出现明显的液面飞溅、局部涡旋，和实际流动状态偏差很大，本质上就是没有考虑自由表面流在转向时的离心力对液面形态的影响，连续变曲率的曲面可以让流体在转向过程中逐步改变流动方向，让气液分界面保持相对平稳的过渡状态，减少局部的液面破碎和卷气现象。垂直下落段采用渐扩式截面设计，截面宽度沿下落方向逐步增加，在流体工程相关的结构设计与仿真验证环节，自由表面流动的模拟一直是多类工程场景下的核心验证内容，这类流动形态广泛存在于日用容器充排、工业槽体流道设计、流体输送终端结构优化等实际工况中，区别于封闭管路内的满管流动，自由表面流存在气液两相的动态分界面，界面形态会随流动过程持续变化，对结构的导流形态、壁面冲击位置、流动平稳性都有直接影响。做这类仿真建模的时候，首先要明确流动的边界约束，本次模拟的流道主体采用折角式导流结构，水平入流段采用等截面矩形流道设计，保证入流阶段流体流速均匀，避免初始段出现紊流扰动影响后续自由表面的成型精度，入流段长度设置为截面水力直径的8倍，充分满足流体充分发展的入口段长度要求，

　　这个设计是为了匹配流体下落过程中因重力加速导致的流束扩散特性，避免流体因为流速加快、流束展宽而冲击侧壁造成额外的流动扰动，渐扩的角度控制在7度以内，这个角度范围是流体沿壁面流动的不脱壁临界角度，角度过大就会出现流体脱离壁面的现象，无法形成稳定的贴壁流动，也就没法准确模拟自由表面沿壁面流动的实际状态。从应用场景来看，这类自由表面流的模拟结果可以直接指导多类工业结构的设计优化，比如民用领域的洗漱台盆出水结构、饮水机出水导流结构，工业领域的电镀槽液流道、化工物料下料导流结构、雨水收集排放槽结构，都需要精准控制自由表面的流动形态，避免出现流体飞溅、流道局部积液、流动噪音过大等问题。建模过程中需要注意流道壁面的边界条件设置，

　　壁面采用无滑移边界条件，同时要保证壁面网格的边界层厚度满足y+值要求，自由表面的捕捉采用VOF方法，能够精准追踪气液两相的分界面位置，在曲面过渡区域需要对网格进行局部加密，因为这个区域是液面变形最剧烈的位置，网格分辨率不足会导致界面捕捉出现失真，出现液面破碎、非物理性的液面锯齿等问题。另外在设置流动参数的时候，要匹配实际工况下的入口流速、流体物性参数，比如常温清水的密度、粘度参数，重力加速度的方向要和垂直下落段的方向保持一致，避免出现重力方向设置错误导致流动方向完全偏离实际的问题。很多工程人员在做这类自由表面流模拟的时候，容易忽略出口段的边界设置，直接将出口设置为压力出口就开始计算，结果会在出口附近出现明显的液面反射扰动，

　　影响整个流场的计算结果，正确的做法是将出口段适当延长，延长长度不小于垂直段长度的1.5倍，让出口边界远离流动扰动区域，保证计算域内的流动状态不受出口边界的影响。从结构的安装边界来看，整个流道结构的安装基准面设置在水平入流段的底部平面，安装时需要保证水平段的水平度误差不超过1/1000，垂直段的垂直度误差不超过0.5度，否则会因为安装倾斜导致流体偏向一侧壁面，自由表面的形态就会和模拟结果出现偏差，无法达到设计预期的导流效果。这类自由曲面导流结构的加工，适合采用注塑成型或者钣金折弯焊接的工艺，如果采用钣金工艺，需要注意曲面过渡区域的折弯回弹控制，提前在建模阶段预留回弹补偿量，保证加工完成后的曲面曲率和设计模型一致；如果采用注塑工艺，要注意曲面区域的脱模斜度设置，避免出现脱模困难导致的结构变形。在实际工程验证环节，可以通过透明流道模型的粒子图像测速方法，对模拟结果进行比对验证，观察实际流动中的自由表面位置、流态分布是否和仿真结果一致，根据验证结果微调曲面的曲率参数，最终获得符合实际流动要求的导流结构。