VOF：使用自适应网格化的油箱晃动

为减少 VOF 多相流模拟所需的计算时间和资源，Simcenter STAR-CCM+ 同时提供了自适应网格细化 (AMR) 和自适应时间步进。AMR 提供空间自适应，而自适应时间步进则提供时间自适应。这些模型通过调整模拟过程中的网格和时间步，以最少的计算工作量改进交界面分辨率。此外，Simcenter STAR-CCM+ 提供隐式多步进 VOF 求解器，可用于通过子步进体积分数传输方程进一步降低计算成本，以获得锐化交界面，同时允许更大的流时间步。

本教程演示设置尺寸为 0.5 m（长）x 0.02 m（宽）x 0.25 m（高）的容器内水晃动模拟的工作流。水最初在容器的下半部分处于静止状态，如下图所示：

容器受到水平方向上的非稳态加速度，导致水在容器内部左右晃动。流体体积 (VOF) 多相模型用于对水的整体运动建模并追踪水-空气交界面。容器内的水晃动时，水空气交界面会移动并发展出小尺度流体特征，如水滴和气泡。

自适应网格细化 (AMR) 是一种动态重构方法，可根据自适应网格准则细化或粗化体网格中的网格单元。求解物理量将自动插值到适应网格中。本教程使用 AMR 来标识交界面附近的网格单元，并相应地细化网格。当交界面在模拟过程中发展和移动时，AMR 会不断地重新生成网格，以确保有效地求解和追踪交界面。自适应网格细化可提供高分辨率精细网格，同时降低计算开销，即网格仅在需要时在靠近交界面的体内细化。

VOF 多相模型使用高分辨率交界面捕捉 (HRIC) 对流方案来保持锐化交界面。HRIC 格式受限于库朗数上限 (CFL)。如果局部超过此 CFL 限制，则该方法将回退到迎风格式以维持稳定性。作为一阶方法，迎风格式会生成不可逆的弥散交界面。

在许多情况下，全局时间步的限制因子是由 HRIC CFL 限制决定的 VOF 传输的时间尺度。将隐式多步进应用于体积分数传输方程，可通过指定多个子步来减少有效的 CFL 数。这样做时，只要剩余的物理在较大的时间步中仍合理求解，全局流时间步可以按相同的因子放大。如果体积分数和动量传输之间的耦合较弱，或者如果流场的时间尺度明显大于体积分数传输，则尤其如此。

激活多步进时，分离 VOF 求解器将在每个时间步执行多步。对于给定的时间步长，多步计算所需的运行时间比单步计算要长。但多步模拟可以使用较大的时间步，从而减少总计算时间，同时仍然保持锐化交界面。

在本教程中，因为网格单元尺寸随 AMR 变化，所以手动指定时间步十分困难。因此，建议将自适应时间步进与 AMR 结合使用。自适应时间步模型可用于指定合适的时间步提供程序，以在模拟过程中自动调整时间步。在此模拟中，使用控制时间步长的自由表面隐式多步时间步提供程序，以使交界面附近的所有网格单元满足隐式多步进的 CFL 条件。