自由表面 — CAE用语解说

这就是气体和液体的界面。这个界面会随着流动而变形和移动。与普通的单相CFD不同的是，自由表面问题的特点在于需要追踪"哪里是水，哪里是空气"。

主要有两种方法。VOF法是追踪每个单元内液体体积分数α的方法，对质量守恒很有优势。Level Set法通过追踪φ=0的等值面来表示界面，擅长计算曲率和法线方向。OpenFOAM的interFoam使用VOF法，可以处理堤坝溃决和晃荡这样的大变形自由表面。

最容易想到的是LNG油轮燃料箱内的晃荡。航海中的摇晃会导致液体暴动，对箱壁造成巨大冲击荷载。还有铸造时熔液的充填模拟、河流洪水预测、船舶造波阻力评估等，自由表面在这些方面都是不可或缺的。

正是这样。采用AMR（自适应网格细分）技术来自动在界面附近细化网格是主流做法。虽然全体细化会导致计算成本激增，但用AMR既能保持界面的清晰性，又能控制整体计算量，从而实现高效的模拟。

要处理自由表面流动，这5个术语一定要掌握。

完全正确。船舶模型实验时调整Froude数，正是为了保证自由表面的相似性。自由表面是CFD中视觉上很有意思的领域，希望你能动手实践，亲身体验一下。