水流对沙滩冲刷过程的数值模拟

5.3水流对沙滩冲刷过程的数值模拟5.3.1案例简介本案例是对水流冲刷沙滩过程的气固液三相流进行数值模拟，如图5-3-1所示，这是一个简化的二维模型，区域总长度为2000mm，总高度为500mm，下半部为一倾斜的沙子区域。水流从左上角的100mm高的进口流入，进入区域冲刷沙子，然后从右侧500mm高的出口流出。通过模拟，可清楚的看到水流对沙滩的冲刷过程，已经气固液三相的分布情况。图5-3-1水流冲刷模型5.3.2Fluent求解计算设置1．启动Fluent-2D（1）双击桌面Fluent14.0图标，进入启动界面。（2）选中Dimension→2D单选按钮，取消对DisplayOptions下的三个复选按钮的选择。（3）其它保持默认设置即可，单击OK按钮进入Fluent14.0主界面窗口。2．读入并检查网格（1）执行菜单栏中的File→Read→Mesh命令，在弹出的SelectFile对话框中读入convection.msh二维网格文件。（2）执行菜单栏中的Mesh→Info→Size命令，得到如图5-3-3所示的模型网格信息：共有14342个节点，28411个网格面，14070个网格单元。（2）执行菜单栏中的Mesh→Check命令。反馈信息如图5-3-4所示，可以看到计算域三维坐标的上下限，检查最小体积和最小面积是否为负数。图5-3-3网格数量信息图5-3-4Fluent网格信息3．求解器参数设置（1）单击选择左边workspace中ProblemSetup→General命令，在出现的General面板中进行求解器的设置。（2）General面板中，开启重力加速度。单击选中Gravity复选按钮，Y(m/s2)文本框输入-9.8，Time下选中Transient单选框，其它求解参数保持默认设置，如图5-3-6所示。图5-3-6求解参数设置（4）单击选择ProblemSetup→Model命令，对求解模型进行设置，如图5-3-7所示。（5）双击Models→Viscous-Laminar选项（或选中Viscous-Laminar，然后点击Edit），打开ViscousModel窗口。（6）在弹出的窗口中，Model下选择k-epsilon(2eqn)单选按钮，其他保持默认，如图5-3-8所示，单击OK按钮，启动k-e湍流方程。图5-3-7计算模型选择图5-3-8湍流模型选择（7）再次回到Models面板，双击Multiphase-off选项，打开MultiphaseModel窗口。单击选中Model下Eulerian单选按钮，NumberofEulerianPhases设置为3，如图5-3-9所示，单击OK完成设置。图5-3-9多相流模型选择4．定义材料物性（1）单击选择ProblemSetup→Materials命令，在出现的Materials面板中对所需材料进行设置，如图5-3-10所示。（2）双击面板中的Materials→Fluid选项，弹出材料物性参数设置对话框，如图5-3-11所示。（3）材料物性参数设置对话框中，单击FLUENTDatabase按钮，打开FLUENTDatabaseMaterials窗口，FLUENTFluidMaterials下选择water-liquid(h2o1)选项，如图5-3-12所示，单击Copy，复制水的物性参数。（4）单击Change/Create按钮，保存对水物性参数的更改，单击Close关闭窗口。（5）Name文本框输入sand，ChemicalFormula清空，Density(kg/m3)设置为2500，Viscosity(kg/m-s)设置为10，如图5-3-13所示，单击Change/Create按钮，完成设置。图5-3-10材料选择面板图5-3-11空气物性参数图5-3-12水物性参数设置图5-3-13沙子物性设置5．两相属性设置（1）单击选择ProblemSetup→Phases命令，在出现的Phases面板中对所需材料进行设置，如图5-3-14所示。（2）双击Phases下phase-1-PrimaryPhase选项，打开PrimaryPhase窗口，Name中输入air，PhaseMaterial右侧下拉菜单选择air选项，如图5-3-15所示。（3）双击Phases下phase-2-PrimaryPhase选项，打开PrimaryPhase窗口，Name中输入water，PhaseMaterial右侧下拉菜单选择water-liquid选项，如图5-3-16所示。（4）双击Phases下phase-3-PrimaryPhase选项，打开PrimaryPhase窗口，Name中输入sand，PhaseMaterial右侧下拉菜单选择sand选项，选中Granular复选按钮，Properties下Diameter(m)设置为0.000111，GranularViscosity(kg/m-s)选择gidaspow选项，GranularBulkViscosity(kg/m-s)选择lun-et-al选项，PackingLimit设置为0.6，如图5-3-17所示，单击OK。（5）单击Phases面板中的Interaction按钮，弹出PhaseInteraction窗口，Drag选项卡下，相之间的拽力都设置为schiller-naumann选项，如图5-3-18所示，单击OK完成设置。图5-3-14气固液相设置面板图5-3-15气相设置图5-3-16液相设置图5-3-17沙子设置图5-3-18三相间拖拽力设置6．边界条件设置（1）单击选择ProblemSetup→BoundaryConditions命令，在打开的BoundaryConditions面板中对边界条件进行设置，如图5-3-19所示。图5-3-19边界选择（2）双击面板中的Zone→in选项，弹出Velocityinlet窗口，湍动能和湍流耗散率都设置为0.01，如图5-3-20所示，单击OK完成设置。图5-3-20进口边界条件设置（4）BoundaryConditions面板中，Phase下方的下拉菜单选择water选项，单击Edit按钮，在弹出的窗口中，速度值设置为5m/s，如图5-3-21所示，单击选择Multiphase选项卡，设置进口水的体积分数为1，如图5-3-22所示。图5-3-21进口速度设置图5-3-22进口水体积分数设置5.3.3求解计算1．求解控制参数（1）单击选择Solution→SolutionMethods命令，在弹出的SolutionMethods面板中对求解控制参数进行设置。（2）Scheme下选择Coupled算法，其他保持默认设置，如图5-3-23所示。2．求解松弛因子设置（1）单击选择Solution→SolutionControls命令，在弹出的SolutionControls面板中对求解松弛因子进行设置。（2）面板中FlowCourantNumber设置为40，Momentum和Pressure都设置为0.5，VolumeFraction设置为0.4，如图5-3-24所示。图5-3-23求解方法设置图5-3-24松弛因子设置3．收敛临界值设置（1）单击选择Solution→Monitors命令，打开Monitors面板，如图5-3-25所示。（2）双击Monitors面板中Residuals-Print,Plot选项，打开ResidualMonitors对话框，energy残差修改为1e-07，其他修改为0.0001，如图5-3-26所示，单击OK完成设置。图5-3-25残差设置面板图5-3-26修改迭代残差4．流场初始化设置（1）单击选择Solution→SolutionInitialization命令，打开SolutionInitialization面板。（2）在弹出的SolutionInitialization面板中进行初始化设置，保持默认设置，单击Initialize完成初始化，如图5-3-27所示。（3）单击Patch按钮，打开Patch窗口，ZonestoPatch和Phase均选择sand选项，Variable下选择VolumeFraction选项，设置Value值为1，如图5-3-28所示，单击Patch按钮，完成设置。图5-3-27流场初始化设定图5-3-28流场初始相设置8．流动动画设置（1）单击选择Solution→CalculationActivities命令，中间workspace弹出CalculationActivities面板，AutosaveEvery(TimeSteps)设置为3，表示每计算三个时间步，保存一次数据，如图5-3-29所示。（2）单击SolutionAnimations→Create/Edit按钮，弹出SolutionAnimation对话框，设置AnimationSequences为1，When下拉菜单选择TimeStep，如图5-3-30所示。（3）单击Define，弹出SequenceParameters窗口，StorageType下选择InMemory单选按钮，如图5-3-31所示。（4）单击Set，弹出温度监视窗口FLUENT[2]ANSYSInc；DisplayType下选中Contours单选按钮，弹出Contours对话框。（5）在弹出的Contours对话框中，Options下选中Filled复选按钮，Contoursof下第一个下拉菜单选择Phases选项，Phase下选择air选项，如图5-3-32所示,单击Display。（6）单击Display后，温度监视窗口FLUENT[2]ANSYSInc中出现了初始时刻空气相图，如图5-3-33所示。（7）重复上述操作，完成对初始液相、固相的设置。图5-3-29动画设置1图5-3-30动画设置2图5-3-31动画设置3图5-3-32动画设置4图5-3-33空气初始相图6．迭代计算（1）选择File→Write→Case&Data…命令，弹出SelectFile窗口，保存为scour.case和scour.data。（3）单击选择Solution→RunCalculation命令，打开RunCalculation面板。（4）设置初始TimeStepSize为0.0001，NumberofIterations设置为100000，MaxIterations/TimeStep设置为20，表示每一个时间步最多进行20次迭代计算，如图5-3-34所示。单击Calculate按钮进行迭代计算。图5-3-34迭代设置对话框5.3.4计算结果后处理及分析1．三相云图绘制（1）分别读入scour-8-0067.dat、scour-8-00119.dat和scour-8-00187.dat数据，单击选择Results→GraphicsandAnimations命令，打开GraphicsandAnimations面板，如图5-3-35所示，分别绘制上述三个时刻的空气相云图、液相云图和固相云图。图5-3-35气液相云图绘制设置（2）最终结果如图5-3-36~图5-3-47所示。图5-3-36初始气相云图图5-3-370.299s时刻气相云图图5-3-380.599s时刻气相云图图5-3-390.900s时刻气相云图图5-3-40初始液相云图图5-3-410.299s时刻液相云图图5-3-420.599s时刻液相云图图5-3-430.900s时刻液相云图图5-3-44初始固相云图图5-3-450.299s时刻固相云图图5-3-460.599s时刻固相云图图5-3-470.900s时刻固相云图