Fluent軟件及其在水利方面的應用發展

2016-09-04 by:CAE仿真在線來源:互聯網

流體力學是一門研究流體流動規律以及流體與固體相互作用的一門學科,研究的范圍在水里中包括發動力內氣體的流動,水里機械的工作原理,供水系統的設計,乃至航海航空和航天等領域內動力系統和外形設計等等。自從牛頓定律公布以來知道20世紀70年代初,研究流體運動規律的主要方法有3種:實驗研究、理論分析方法和計算流體力學即數字模擬。但是實驗研究耗費巨大,耗時耗力,而理論分析方法對于較復雜的非線性流動現象海域寫無能為力,數字模擬需要很長的時間學習掌握微分方程求解以及對計算流體力學進行深入研究才能運用,由此,計算準確、界面有好、使用方便簡單、能解決問題的商業計算軟件應運而生。其中Fluent軟件是通用性較強的軟件,是用于計算流體流動和傳熱問題的程序[1,3]。

1Fluent軟件介紹

Fluent軟件是由美國Fluent公司推出的CFD(Comput ational Fluid Dynamics,即計算流體動力學)軟件之一,在美國的市場占有率已高達60%,與流體、熱傳遞及化學反應有關的工業均可使用,由于囊括了Fluent Dynamic International比利時Polyflow和Fluent Dynamic International(FDI)的全部技術力量,因此Fluent軟件能推出多種優化的物理模型、先進的數值方法以及強大的前后處理工具。Fluent軟件基于有限元體積法,其思想實際上就是做很多模塊,這樣只要判斷是哪一種流場和邊界就可以拿已有的模型來計算。主要用于模擬和分析在復雜幾何區域內的流體流動與熱交換,可用于二維平面、二維軸對稱和三維流動的分析,定常與非定常流動的分析,不可壓縮流和可壓縮流的計算,傳熱和熱混合的分析,化學組分混合和反應的分析,多相流的分析,固體與流體耦合的傳熱分析,多孔介質的分析等。對每一種物理問題的流動特點,有適合它的數值解法,用戶可對顯式或隱式差分格式進行選擇,以期在計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳。Fluent軟件是用C語言編寫的,因此具有很大的靈活性與能力,可以完成內存動態的分配,解的靈活控制。Fluent的作用主要體現在縮短設計過程,減少實驗室測定試驗的數目,減少產品開發成本,也即為CFD的作用所在。

在Fluent5.0中,采用Gambit的專用前處理軟件,使網格可以有多種形狀。Gambit軟件是Fluent公司提供的前處理器軟件,它包含功能較強的幾何建模能力和強大的網格劃分工具,可以劃分出包含邊界層等CFD特殊要求的高質量網格。Gambit的功能主要包括3個方面:構造幾何模型、劃分網計算機專業論文http://www.jsjlunwen.com/jsjzhuanye/格和指定邊界,其中網格劃分是其最主要的功能,最終會生成包含邊界信息的網格文件。另外,Gambit還提供了非常靈活的網格特性,用戶可以方便地使用結構和非結構網格對各種復雜區域進行網格劃分。對于二維問題,可生成三角形單元網格和四邊形單元網格;對于三維問題,可生成四面體、六面體、棱錐、楔形體及混合網格,還允許用戶根據求解規模、精度及效率等因素,對網格進行整體或局部的細化或粗化,或生成不連續網格、可變網格和滑動網格。使用Gambit軟件,將可大大縮短用戶在CFD應用過程中建立幾何模型和流場以及劃分網格所需要的時間。Fluent劃分網格的途徑有兩種:一種是用Fluent提供的專用網格軟件Gambit進行網格劃分,另一種則是由其他的CAD 軟件完成造型工作,再導入Gambit中生成網格。還可以用其他網格生成軟件生成與Fluent兼容的網格用于Fluent計算。可以用于造型工作的CAD軟件包括I-DEAS、Pro/E、SolidWorks、Solidedge等。除了Gambit外,可以生成Fluent網格的網格軟件還有ICEMCFD、GridGen等等。網格劃分完成后保存*.dbs文件和輸出*.msh文件。Fluent還可以根據計算結果調整網格,這種網格的自適應能力對于精確求解又較大的梯度的流場很有實際的作用。由于網格自適應和調整只是需要加密的流動區域里實施,而非整個流場。因此可以節約計算時間。

Fluent求解器是Fluent的核心部分。在研究流體問題時,可以免去人工對N-S方程求解這一步,而將精力主要集中在所要研究方向上。減少了研究者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復、低效的勞動,將更多的精力和時間投入到考慮問題的物理本質、優化算法選用、參數的設定以及初始邊條件對最終流態影響的研究上。因而提高了工作效率,對問題的研究的深度廣度都可以得到一定的提高。

例如,文獻Lee J.H,Chen C.Q.Numerical simulation of line Puff via RNG k-e.model [J].Communication of nonlinear science and numerical simulation,1996,和Schulze.Simulation of flows past a series 60 ship hull applying a RNG k-e turbulence model on an unstructured grid[A].7th ISCFD[C].Beijing,China研究中的科學計算都是用的Fluent軟件完成的。

Fluent或Tecplot是Fluent軟件后處理器。后處理的功能包括:計算域的幾何模型及網格顯示、矢量圖(如速度矢量圖)、等值線圖、填充型的等值線圖(云圖)、XY散點圖、粒子軌跡圖、圖像處理功能(縮小、放大、旋轉等)、借助后處理功能,還可以動態模型流動效果,直觀地了解CFD的計算結果[1,2,7]。

2Fluent在水利工程中的應用發展

Fluent軟件應用于水利水電工程,近兩年來才有了長足的進展,但它必將成為研究和分析工程水力學問題的重要工具。

2.1在水工方面的應用

西北勘測設計研究院工程科研實驗分院巨江等通過Fluent軟件模擬了泄水建筑物溢洪道、泄洪閘工程泄洪時的泄流能力曲線、壁面壓力分布、沿程水面線及流速分布,其結果與模型試驗資料吻合良好。他們以積石峽溢洪道為工程算例,計算模擬了溢洪道的泄流能力曲線;計算獲得了溢洪道內任意點的壓力,試驗僅測量了底板中線上的壓力,將計算的堰面、泄槽底板以及挑流鼻坎上的壓力分布與試驗資料進行對比,發現計算的最大、最小壓力及其位置與試驗資料吻合良好;計算溢洪計算機論文www.jsjlunwen.com道泄槽水面線,并且與試驗相比;還計算模擬不同斷面垂線流速分布,并與試驗相比較。從比較結果中可以看出,計算模擬值與試驗值吻合良好。

西安理工大學水利水電學院陳沖、魏文禮連同西安普邁項目管理有限公司嚴建軍應用Fluent軟件對閘后水躍強紊流區流速場進行了數值模擬,并將數值模擬結果與實測結果進行比較,表明它具有可行性與實用性。他們采用標準k~ε湍流模型封閉Reynolds方程作為紊流控制方程組,用幾何重構VOF法追蹤自由表面,用PISO算法計算流場,定義入口為速度進口;空氣入口為壓力進口;出口為壓力出口,認為下游出口處紊流已經發展的很充分,服從靜壓分布。得到了閘后某斷面沿水深方向的計算值和實驗值對比圖,從中可以看出計算值和實驗值比較吻合,從而得出Fluent軟件能很好的模擬紊流流動。

2.2在節水灌溉方面的應用

華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室聶磊、史玉升、魏青松、蘆剛和水資源與水電工程技術國家重點實驗室武漢大學董文楚采用通用流體模擬軟件Fluent軟件所提供的5種不同的湍流模型:標準k-ε模型、RNG k-ε模型、Real2izable k-ε模型、標準k-ω模型、SST k-ω模型,對滴灌灌水器微流道內流場水流流動進行了數值模擬。通過對比模擬得出的灌水器的流量與實驗室試驗的結果,評價了不同的湍流模型對不同類型灌水器內流場流量模擬效果的影響,為灌水器內流場的理論分析以及灌水器流道結構的工程設計提供了一定的參考依據。

3小結

Fluent軟件在我國已經獲得較好的應用。優點之一是應用于水流的計算機模擬,能取得和實驗很接近的結果,并且有計算快速、簡捷、方便的優點。它不僅能給出反映水流運動總體特性的各項運動參數,如流速、壓強等,而且可以方便地計算出各項水流參數的全場分布,能給出相關流場的具體信息。Fluent軟件另一個主要優點就是它的后處理功能,它能清晰的顯示不同計算時刻、不同位置斷面處的水流運動參數。由于其減少了研究者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復、低效的勞動,將更多的精力和時間投入到考慮問題的物理本質,優化算法選用,參數的設定,因而提高了工作效率,其必然會獲得越來越多的應用,應用效果也必將越來越好。同時數值模擬可以提供更多的流場信息,與模型試驗具有相輔相成的作用。但是對于模擬不規則邊界的水流流動情況,還需要對Fluent 進行二次開發。

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