FLUENT明渠邊界應用

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(chuàng)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(chuàng)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(guī)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(shù)據(jù)。

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(tài)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(shù))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(shù)如圖9所示。這些參數(shù)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(tài)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(chuàng)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(shù)量。

(3)利用不同wave theory可以創(chuàng)建不同的波型,具體理論參閱fluent theory guide。