搜索FLUENT明渠邊界的應用 （Open Channel Flow）
2016-11-30 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
FLUENT的VOF模型中,包含有明渠流動(Open Channel Flow)選項,同時含包含有造波邊界(Open Channel Wave BC),用戶還可以使用Numerical Beach選項進行邊界消波處理。想深入了解此功能的童鞋們,可以查看fluent文檔。這里我們以一個簡單的實例來說明這三個選項的使用方法。
1、問題描述
這里方便起見,以2D問題為例。水深2.7m,長度20m,水面標高0m。計算域如圖1所示。設置左側面為速度入口邊界,速度v=0.5m/s,右側面為自由出流邊界。采用open channel wave BC邊界需要設定入射波。本問題中,設定波高0.4m,波長2m,波頭角0°,相位角-270°。
圖1 問題描述
2、在workbench中建立模型
啟動workbench,拖拽方式加入fluent模塊,如圖2所示。右鍵點擊A2單元格,選擇Properties,在彈出的屬性框中設置Analysis Type為2D。雙擊A2單元格進入DM模塊。
圖2 加入fluent模塊
3、DM中建立幾何
選擇XYPlane進行草圖繪制(注意2D幾何必須創建與XY平面上)。進入Sketching標簽頁,選取合適的草圖繪制工具,繪制如圖1所示的幾何。草圖繪制完畢后,選擇Concept > Surface From Sketches,選擇Base Objects為繪制好的草圖,點擊Generate創建surface。退出DM模塊。
圖3 建立surface
4、劃分網格
雙擊圖2所示的A3單元格進入mesh模塊。為計算域劃分網格。在樹形菜單上點擊右鍵,選擇insert > Mapped Face Meshing,選擇幾何體,采用map方式劃分網格。
右鍵點擊mesh,選擇子菜單 insert > sizing,選擇幾何,設置element size為0.1。
右鍵點擊mesh,選擇子菜單Generate mesh,生成網格。
選擇左側邊,點擊右鍵,選擇Create named selection,設置邊界名稱為velocity_inlet。如圖4所示。同樣操作設置右側邊界名稱為outfow。設置上邊界名稱為walls_top,設置底部邊界名稱為walls_bottom(這里命名遵循一定規則的話,導入至fluent會自動識別邊界類型,否則需要人工指定邊界類型)。
圖4 指定邊界名稱
退出mesh模塊。右鍵點擊A3單元格,選擇Update以更新數據。
5、進入FLUENT,設置general項設置
雙擊圖2中的A4單元格,進入FLUENT設置。選擇Double Precision(雙精度)計算。
這里不需要進行scale操作,設置Generate中Time為transient(瞬態計算),勾選Gravity項,設置重力加速度方向為Y軸-9.81。如圖5所示。
圖5 General設置
6、設置VOF
進入Models項,選擇MultiPhase,點擊Edit按鈕,設置多相流。進行如圖6所示設置。
圖6 設置VOF模型
7、設置湍流模型
選擇RNG k-epsilon模型,選用scalable wall function。如圖7所示。
圖7 設置湍流模型
8、添加材料水
進入material項,添加水至材料清單中。(此步太基礎,篇幅所限,略去)
9、設置Phases
進入Phases項,設置空氣為主相,水為第二相。
10、設置計算域屬性
進入Cell Zone Conditions項,確保Phases下選擇的是Mixture,點擊Edit按鈕編輯流體域屬性。
進入Multiphase標簽頁,勾選Numerical Beach選項,設置Free Surface Level(自由液面表高)為0,設置Bottom Level(河床標高)為-2.7,設置流動方向x為1,y為0。設置Damping Length Specification為End Point and Wave Lengths,設置End Point(波結束點)為18,wave length(波長)2,number of Wave Length(波數)4,其他采用默認設置。點擊OK確認完成計算域設置。
11、邊界條件設置
主要設置入口邊界與出口邊界。進入Boundary Conditions項,選擇Velocity_inlet,可以看到,fluent自動匹配邊界類型為velocity inlet。確保phase選擇為mixture,點擊Edit進入邊界條件編輯。
勾選Open Channel Wave BC,設置入口速度Uniform Flow Velocity Magnitude為0.5m/s,設置湍流強度2%,水力直徑5.4m。如圖8所示。
圖8 邊界條件設置
進入Multiphase標簽頁,設置參數如圖9所示。這些參數說明可以詳見FLUENT幫助文檔。
圖9 多相流設置
Outflow邊界采用默認設置即可。
12、其他需要設置的內容
瞬態計算,用戶可以設置在Calculation Activities中設置自動保存以及動畫。
13、初始化
選擇velocity_inlet邊界進行初始化,同時patch水位線以下部分為水。
選擇Adapt > Regions,如圖10進行設置,點擊Mark按鈕標記單元。
圖10 標記單元
點擊Solution Initialization項中的Patch按鈕,如圖11進行設置。點擊patch按鈕。
圖11 patch操作
14、進行計算
進入Run Calculation項,設置Time Step Size為0.01s,設置number of Time Step為1000,其他采用默認設置。點擊Calculate進行計算。
15、總結
(1)FLUENT只能創建淺波,波高與水深的比值有上限,可以查閱理論文檔。本例不一定滿足條件。
(2)可以在numerical beach中設置波的數量。
(3)利用不同wave theory可以創建不同的波型,具體理論參閱fluent theory guide。
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