Fluent軟件及其在水利方面的應(yīng)用發(fā)展

2016-09-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

流體力學(xué)是一門研究流體流動(dòng)規(guī)律以及流體與固體相互作用的一門學(xué)科,研究的范圍在水里中包括發(fā)動(dòng)力內(nèi)氣體的流動(dòng),水里機(jī)械的工作原理,供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì),乃至航海航空和航天等領(lǐng)域內(nèi)動(dòng)力系統(tǒng)和外形設(shè)計(jì)等等。自從牛頓定律公布以來知道20世紀(jì)70年代初,研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要方法有3種:實(shí)驗(yàn)研究、理論分析方法和計(jì)算流體力學(xué)即數(shù)字模擬。但是實(shí)驗(yàn)研究耗費(fèi)巨大,耗時(shí)耗力,而理論分析方法對于較復(fù)雜的非線性流動(dòng)現(xiàn)象海域?qū)憻o能為力,數(shù)字模擬需要很長的時(shí)間學(xué)習(xí)掌握微分方程求解以及對計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行深入研究才能運(yùn)用,由此,計(jì)算準(zhǔn)確、界面有好、使用方便簡單、能解決問題的商業(yè)計(jì)算軟件應(yīng)運(yùn)而生。其中Fluent軟件是通用性較強(qiáng)的軟件,是用于計(jì)算流體流動(dòng)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué))軟件之一,在美國的市場占有率已高達(dá)60%,與流體、熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的工業(yè)均可使用,由于囊括了Fluent Dynamic International比利時(shí)Polyflow和Fluent Dynamic International(FDI)的全部技術(shù)力量,因此Fluent軟件能推出多種優(yōu)化的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理工具。Fluent軟件基于有限元體積法,其思想實(shí)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(jì)算。主要用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與熱交換,可用于二維平面、二維軸對稱和三維流動(dòng)的分析,定常與非定常流動(dòng)的分析,不可壓縮流和可壓縮流的計(jì)算,傳熱和熱混合的分析,化學(xué)組分混合和反應(yīng)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(zhì)的分析等。對每一種物理問題的流動(dòng)特點(diǎn),有適合它的數(shù)值解法,用戶可對顯式或隱式差分格式進(jìn)行選擇,以期在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)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(nèi)存動(dòng)態(tài)的分配,解的靈活控制。Fluent的作用主要體現(xiàn)在縮短設(shè)計(jì)過程,減少實(shí)驗(yàn)室測定試驗(yàn)的數(shù)目,減少產(chǎn)品開發(fā)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(wǎng)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(qiáng)的幾何建模能力和強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分工具,可以劃分出包含邊界層等CFD特殊要求的高質(zhì)量網(wǎng)格。Gambit的功能主要包括3個(gè)方面:構(gòu)造幾何模型、劃分網(wǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)論文http://www.jsjlunwen.com/jsjzhuanye/格和指定邊界,其中網(wǎng)格劃分是其最主要的功能,最終會生成包含邊界信息的網(wǎng)格文件。另外,Gambit還提供了非常靈活的網(wǎng)格特性,用戶可以方便地使用結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對各種復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對于二維問題,可生成三角形單元網(wǎng)格和四邊形單元網(wǎng)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(wǎng)格,還允許用戶根據(jù)求解規(guī)模、精度及效率等因素,對網(wǎng)格進(jìn)行整體或局部的細(xì)化或粗化,或生成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑動(dòng)網(wǎng)格。使用Gambit軟件,將可大大縮短用戶在CFD應(yīng)用過程中建立幾何模型和流場以及劃分網(wǎng)格所需要的時(shí)間。Fluent劃分網(wǎng)格的途徑有兩種:一種是用Fluent提供的專用網(wǎng)格軟件Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分,另一種則是由其他的CAD 軟件完成造型工作,再導(dǎo)入Gambit中生成網(wǎng)格。還可以用其他網(wǎng)格生成軟件生成與Fluent兼容的網(wǎng)格用于Fluent計(jì)算?？梢杂糜谠煨凸ぷ鞯腃AD軟件包括I-DEAS、Pro/E、SolidWorks、Solidedge等。除了Gambit外,可以生成Fluent網(wǎng)格的網(wǎng)格軟件還有ICEMCFD、GridGen等等。網(wǎng)格劃分完成后保存*.dbs文件和輸出*.msh文件。Fluent還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格,這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對于精確求解又較大的梯度的流場很有實(shí)際的作用。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是需要加密的流動(dòng)區(qū)域里實(shí)施,而非整個(gè)流場。因此可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。

Fluent求解器是Fluent的核心部分。在研究流體問題時(shí),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(jì)算方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)、低效的勞動(dòng),將更多的精力和時(shí)間投入到考慮問題的物理本質(zhì)、優(yōu)化算法選用、參數(shù)的設(shè)定以及初始邊條件對最終流態(tài)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(xiàn)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(xué)計(jì)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(jì)算域的幾何模型及網(wǎng)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(diǎn)圖、粒子軌跡圖、圖像處理功能(縮小、放大、旋轉(zhuǎn)等)、借助后處理功能,還可以動(dòng)態(tài)模型流動(dòng)效果,直觀地了解CFD的計(jì)算結(jié)果[1,2,7]。

2Fluent在水利工程中的應(yīng)用發(fā)展

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

2.1在水工方面的應(yīng)用

西北勘測設(shè)計(jì)研究院工程科研實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jié)果與模型試驗(yàn)資料吻合良好。他們以積石峽溢洪道為工程算例,計(jì)算模擬了溢洪道的泄流能力曲線;計(jì)算獲得了溢洪道內(nèi)任意點(diǎn)的壓力,試驗(yàn)僅測量了底板中線上的壓力,將計(jì)算的堰面、泄槽底板以及挑流鼻坎上的壓力分布與試驗(yàn)資料進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)計(jì)算的最大、最小壓力及其位置與試驗(yàn)資料吻合良好;計(jì)算溢洪計(jì)算機(jī)論文www.jsjlunwen.com道泄槽水面線,并且與試驗(yàn)相比;還計(jì)算模擬不同斷面垂線流速分布,并與試驗(yàn)相比較。從比較結(jié)果中可以看出,計(jì)算模擬值與試驗(yàn)值吻合良好。

西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院陳沖、魏文禮連同西安普邁項(xiàng)目管理有限公司嚴(yán)建軍應(yīng)用Fluent軟件對閘后水躍強(qiáng)紊流區(qū)流速場進(jìn)行了數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較,表明它具有可行性與實(shí)用性。他們采用標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)VOF法追蹤自由表面,用PISO算法計(jì)算流場,定義入口為速度進(jìn)口;空氣入口為壓力進(jìn)口;出口為壓力出口,認(rèn)為下游出口處紊流已經(jīng)發(fā)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(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值對比圖,從中可以看出計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值比較吻合,從而得出Fluent軟件能很好的模擬紊流流動(dòng)。

2.2在節(jié)水灌溉方面的應(yīng)用

華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聶磊、史玉升、魏青松、蘆剛和水資源與水電工程技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢大學(xué)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(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型、Real2izable k-ε模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型、SST k-ω模型,對滴灌灌水器微流道內(nèi)流場水流流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過對比模擬得出的灌水器的流量與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果,評價(jià)了不同的湍流模型對不同類型灌水器內(nèi)流場流量模擬效果的影響,為灌水器內(nèi)流場的理論分析以及灌水器流道結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

3小結(jié)

Fluent軟件在我國已經(jīng)獲得較好的應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)之一是應(yīng)用于水流的計(jì)算機(jī)模擬,能取得和實(shí)驗(yàn)很接近的結(jié)果,并且有計(jì)算快速、簡捷、方便的優(yōu)點(diǎn)。它不僅能給出反映水流運(yùn)動(dòng)總體特性的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù),如流速、壓強(qiáng)等,而且可以方便地計(jì)算出各項(xiàng)水流參數(shù)的全場分布,能給出相關(guān)流場的具體信息。Fluent軟件另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是它的后處理功能,它能清晰的顯示不同計(jì)算時(shí)刻、不同位置斷面處的水流運(yùn)動(dòng)參數(shù)。由于其減少了研究者在計(jì)算方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)、低效的勞動(dòng),將更多的精力和時(shí)間投入到考慮問題的物理本質(zhì),優(yōu)化算法選用,參數(shù)的設(shè)定,因而提高了工作效率,其必然會獲得越來越多的應(yīng)用,應(yīng)用效果也必將越來越好。同時(shí)數(shù)值模擬可以提供更多的流場信息,與模型試驗(yàn)具有相輔相成的作用。但是對于模擬不規(guī)則邊界的水流流動(dòng)情況,還需要對Fluent 進(jìn)行二次開發(fā)。

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