STAR-CCM+水结冰模拟

模拟水流经管道时被壁面冷却，逐渐结冰直至堵塞流动的全过程。

1、 启动STAR-CCM+，创建新的仿真项目，选择本地并行计算模式，根据计算机的硬件配置设定计算进程数，确认设置后点击确定完成初始化操作。

2、 依次点击文件菜单中的导入选项，选择导入体网格功能，加载位于multiphaseFlow目录下的freezingWaterDuct.ccm文件，并将其另存为freezingWaterDuct.sim格式，完成文件的导入与保存操作。

3、 点击Continua > Physics 1，选择并设置欧拉多相流模型参数。

4、 在模型设置中，右键点击Models下的Eulerian Multiphase，进入Eulerian Phases选项，新建一个相并将其命名为H2O。随后，在该相的属性中启用熔化-凝固模型，同时勾选熔化-凝固流动停止模型，以实现相变过程中的流动控制，确保模拟过程中液固相转变的准确性和稳定性，为多相流系统提供更真实的物理行为描述。

5、 进入Eulerian相模型中的H2O设置，依次展开至熔化-凝固选项，将欠松弛因子调整为0.1，以提高计算稳定性并优化收敛过程。

6、 在H2O中依次展开材料属性，进入流动性阈值设置，选择恒定选项，并将其数值设定为0.999。

7、 在软件中通过场函数功能设定水与冰的导热系数。进入Tools菜单下的Field Functions选项，创建一个新的标量场函数，命名为Variable Thermal Conductivity。在定义区域输入表达式：($${Temperature} <= 273) ? 2.33 : 0.620271，表示当温度小于或等于273K（即0℃）时，导热系数取值为2.33 W/(m·K)，对应冰的导热性能；当温度高于273K时，取值为0.620271 W/(m·K)，对应液态水的导热性能。同时，将该场函数的单位设置为W/m·K，确保物理量纲正确。此方法实现了相变区域内导热系数随温度动态变化的精确描述，便于后续模拟中区分固态与液态介质的传热特性，提升计算准确性。

8、 在材料属性设置中，展开H2O选项，将导热系数设为变导热系数模式，即选择Variable Thermal Conductivity进行定义。熔化潜热设定为100000.0焦耳每千克，用于模拟相变过程中的能量吸收或释放。液相线温度设定为273开尔文，同时固相线温度也设定为273开尔文，表示该物质在273 K时发生相变，液态与固态共存，无温度区间差异。此设置适用于简化凝固或融化过程的模拟，确保相变发生在恒定温度下，提升计算稳定性与收敛性，特别适用于水在标准大气压下的冻结与熔化过程仿真。

9、 当管道截面内的水完全结冰时，水流将停止，此时采用压力边界条件。为提升计算收敛性，初始条件依据边界条件设定，并通过场函数定义进出口及初始压力值。

10、 创建一个新的标量场函数，命名为目标入口压力，选择压力作为单位，在定义中输入数值1.0帕斯卡。

11、 在Field Functions中新建一个标量函数，命名为入口压力，设置其单位为压力。在定义表达式中输入：目标入口压力加上0.5倍密度乘以速度矢量模的平方，即 $${Target Inlet Pressure} + 0.5 * $${Density} * pow(mag($$$${Velocity}), 2)，用于计算包含动压修正的总入口压力值。

12、 创建一个名为Outlet Pressure的标量场函数，设置其单位为压力，定义值为0.0帕斯卡。

13、 在Field Functions中新建一个标量函数，命名为Initial Pressure，设定其单位为压力。在定义（Definition）中输入表达式：$${Target Inlet Pressure} - $${Position}/0.3 * ($${Target Inlet Pressure} - $${Outlet Pressure})。该公式用于根据位置变量线性分布初始压力值，从入口目标压力逐步过渡至出口压力，适用于设定沿流动方向呈梯度变化的初始压力场，确保模拟开始时压力分布合理，提升计算稳定性与收敛效率。

14、 在Physics 1中展开初始条件设置，选择Initial Pressure来定义压力；将静态温度设定为273.1 K；速度设为0 m/s；体积分数按需求进行指定。确保各项参数准确输入，以保证模拟计算的正确性与稳定性。根据实际物理场景合理配置初始状态参数。

15、 展开Regions > Tube_2D > Boundaries > Inlet > Physics Values，将Pressure设置为Inlet Pressure定义方式，保持静压恒定为1.0 Pa；静态温度设定为273.1 K；同时配置Volume Fraction参数。所有边界条件按指定数值准确输入，确保入口物理量的正确性，为后续计算提供稳定初始环境。操作需依次进行，避免遗漏关键设定项。

16、 展开Outlet > Physics Values，选择Outlet Pressure来设定压力；静态温度设置为273.1 K；体积分数按需进行配置。确保各项参数准确输入，以保证模拟条件的正确性。相关设置应根据实际计算需求调整，避免出现边界条件不匹配的问题，从而提高仿真结果的可靠性与精度。

17、 通过Field Function设定冻结边界条件。创建新的标量场函数，命名为壁面温度，单位选择温度类型。在定义表达式中输入：min(273.1, 2010.0乘以($${Position}减0.15)的平方加253.0)。该函数将根据位置坐标自动计算对应温度值，当计算结果高于273.1K时取273.1K，低于则取计算值，从而实现温度上限控制，用于模拟冻结过程中的边界热条件，确保边界温度不超过设定阈值。

18、 展开壁面设置中的物理条件，进入热条件设定界面，选择温度作为边界条件类型，然后在静态温度选项中指定壁面温度进行定义。

19、 展开Solvers，将隐式非稳态时间步长设置为0.2秒。在分离能量选项中，将流体欠松弛因子调整为0.5，以提升计算稳定性与收敛性，确保模拟过程更加平稳可靠。

20、 在展开停止条件中，将最大物理时间设置为20秒，最大内层迭代步数设为40步，同时不启用最大步数选项。

21、 新建报告，选择质量流量，部件选出口，右键点击生成监控并绘制图表。

22、 进入Monitors菜单，选择Mass Flow Monitor，将Normalization设置为手动模式，Trigger设为时间步长，然后输入归一化因子3.74×10??，完成参数配置。此操作用于调整流量监测的基准值，确保模拟过程中数据归一化的准确性，适用于特定工况下的流动分析。

23、 进入Plots菜单，选择质量流量监控图表，在底部轴设置最大值为20，左侧轴最大值设为1.0，完成坐标轴范围调整。

24、 创建一个新的Scalar Scene 1，将其命名为Solid Volume Fraction。在Function选项中选择H2O的固相体积分数，用于监测冰所占的体积比例。Contour Style设置为平滑填充样式，即Smooth Filled。进入Color Bar设置界面，调整标题文字高度，将Title Height设为0.04，同时将标签文字高度Label Height设为0.035，以确保图例显示清晰、比例协调。完成上述参数配置后，即可准确可视化冰相分布情况。

25、 进入工具菜单中的变换选项，右键选择新建图形变换下的简单变换，将其重命名为Stretch Y，随后调整参数，将Y轴的缩放比例设置为原来的10倍，完成对纵向尺寸的拉伸操作。

26、 进入Scenes > Solid Volume Fraction > Outline 1，将其中的Transform设置为Stretch Y；同样地，在Scalar 1下方的Transform选项也调整为Stretch Y，确保两项参数一致，以实现统一的纵向拉伸效果。操作完成后，整体显示将按Y轴方向进行比例伸展。

27、 将Solid Volume Fraction复制并重命名为Pressure，修改其Function为Pressure；同样方法创建Velocity。

28、 在Pressure和Velocity的视图窗口中，分别右键点击并选择Create Scene Image Annotation。随后进入Tools菜单下的Annotation选项，将生成的标注依次展开，并将其名称修改为Pressure Scene和Velocity Scene，以区分不同场景的图像注释内容。

29、 将Pressure Scene和Velocity Scene通过左键拖动至Solid Volume Fraction的视图区域。随后展开属性设置中的背景颜色选项，选择渐变背景，并将其调整为纯白色，以确保画面清晰、简洁，便于观察和分析模拟结果的细节表现。

30、 进入工具菜单中的注解选项，选择求解时间，将其拖动到标量场景中，并将求解时间的高度调整为0.04。

31、 进入属性设置中的更新选项，将触发方式设定为时间步长，启用保存至文件功能并指定导出路径，再次确认触发模式为时间步长，将时间步长频率设置为2，完成配置后系统将按设定间隔自动保存数据。

32、 保存数据，初始化系统，提交计算任务。

33、 结冰过程呈抛物线式扩散，满足壁面温度边界条件。随着冰层发展，流速逐渐降低，流动阻力持续增大，直至通道完全冻结，流动被彻底阻断，此时流速为零，出口处形成负压状态。

34、 约5秒时通道完全结冰，出口流量迅速降至零。