搜索
1Flow3d9.3.2HydraulicsTutorial水力教程本练习的目的是模拟水从水库通过薄壁堰流进下游水池。图1水流模拟在设计中，模拟的第一步是需要完全了解要分析的问题。用流体力学知识，分析工程中哪些参数重要，怎样简化问题，可能出现什么问题，以及希望得到什么样的结果。确定液体流动特性，如黏性、表面张力及能量作用大小的常用方法，是计算无量纲参数，如雷诺数、邦德数、韦伯数。Re(Reynold’sNumber)雷诺数=InertialForce/ViscousForce=贯性力/黏性=UL/νBo(BondNumber)邦德数=GravitationalForce/SurfaceTensionForce=重力/表面张力=gΔρL2/σWe(WeberNumber)韦伯数=InertialForce/SurfaceTensionForce=惯性力/表面张力=LU2ρ/σ这里U是特征速度，L是特征长度，g是重力加速度，ρ是密度，σ是表面张力系数。对本问题，水从18cm高堰流过，水流在堰底的速度可近似按自由落体运动分析得出：Velocity=sqrt(2*980*18)=187.8cm/s流体的雷诺数为：Re=30cmx187.8cm/s/10-2cm^2/s=5.6x105雷诺数大，意味着与贯性力相比，黏性力不可忽略。因此，我们不需要精细的网格求解壁黏性剪切层。当然，由于流态的紊乱，液体内部有很多黏性剪切力，因此，需要在模型中指定黏性参数。邦德数按下式求得：Bo=980cm/s^2*1gm/cc*(30cm)^2/(73gm/s^2)=1.2x1042韦伯数按下式求得：We=30cm*(187.8cm/s)^2*1gm/cc/(73gm/s^2)=1.45x104再者，大的邦德数和大的韦伯数表明，与重力和惯性力相比，表面张力可忽略。模型是这种情况时，不考虑表面张力。问题的大小（模型运行的时间）可以利用堰中心顺水流平面的对称特性进行简化。因此，我们仅仅需要模拟整个范围的一部分（即堰的后半部分），就可也得到堰的全部信息。我们已经对问题进行了简化，下面是如何建立这些条件，如何确定几何条件，利用flow3d求解问题。建模总体参数点击“ModelSetup”表的“General”表，“General”是确定整个问题的参数，如结束时间、结束条件、界面追踪，流体模式，液体的数量，提示选项，单位及精度。对本教程，我们是想看流场，当液体达到几乎稳定状态时，它的时间是1.0s。因此，通常设定结束时间为1.0s。对一个实际问题，可能运行这种模拟的时间会更长一些。但是，我们感兴趣的是速度，对于本运行，我们限定时间。在“Simulationunits”标题菜单中，选CGS单位（厘米。克。秒），其它设置采用缺省设置。在“总信息表Globaltab”的底部注释中，你可以在第一行为问题指定一个名字。名字会出现在所有输出文件和图形上。本例名称为“FlowoveraWeir”（过堰流体）。建立几何体GeometrySetup我们将添加元件定义堰体。首先，我们输入一个已有的STL文件，weri1.stl，该文件放在目录“c:\flow3d\gui\stl_lib”。切换到“几何与分网Meshing&Geometry”表，单击工具条STL图标，会打开标题为“几何Geometry”的对话框，点击添加，打开对话框，找到并选择weri1.stl。在“GeometryFile”点击ok，接受缺省设置。在之后出现的添加部件对话框中接受缺省设置。现在STL文件已经输入，并且出现在工作空间中。输入文件也被列在树形结构表中。下面，我们将通过“FLOW-3D”简单建模创建另一个组件，来添加上游水库河床。在工具栏点击box（盒子）图标，盒子对话框显示如图2。3图2盒子组件选项为了能够定义堰上游河床不同的特性（如添加糙率参数），我们应将河床定义成一个单独的部件。这是因为“FLOW-3D”组件中的所有子部件共享相同的参数。因此，在盒子子部件对话框的下拉菜单中，选择“NewComponent2”，输入盒子尺寸，如图2。其它按缺省设置。在盒子对话框中，单击ok，接受缺省参数。下一个对话框出现（添加组件）。盒子会作为新子部件在左侧树形结构及工作空间中出现。注：对本教程，我们提供了河床的范围。为了你能够自己确定河床尺寸，你可以通过树形结构查看STL文件的尺寸。这时，通过单击“+”号，打开部件1数据，打开子部件1分支，查看部件的x、y、z方向的最大、最小尺寸。分网在进行任何模拟时，最重要的工作之一是考虑如何定义计算网格。网格单元的数量，取决于定义边界的尺寸。并且，网格单元的数量极大地影响计算结果、运行时间、计算精度。因此，问题的范围必须仔细选择。总之，计算人在问题未做好之前，应当谨慎勾画问题的简图。对本问题，我们需要定义的问题是2个：堰后流体及堰前面流体流过的范围，当然还有堰本身。注意，不要将范围定得太小，如图3、图4。如果堰上游范围太小，见图3，计算结果可能不稳定，因为可能会出现突然的加速度。如果堰下游定得太小，见图4，边界条件会影响流态。同样，边界范围不应定得太大，因为没有必要增加计算规模（计算时间）。图3计算结果不稳定图4下游范围小4“FLOW-3D”使用结构化的计算网格。这些网格不是方块就是圆柱。既然计算时间与网格数量的增加而增加，计算者应该严格减少范围内无用的部分。“FLOW-3D”容许使用多网格块，可以消除范围内无用的部分。通过2个、3个或者更多的块，你可以考虑减小计算范围。对这种情况，将采用比较粗糙的一块网格，开始我们的计算。在后面的练习中，我们将在感兴趣的区域嵌套精细的网格。在flow3d中，有两种方式创建和定义网格：手工定义及图形定义。这里，我们叙述手工定义网格。我们将定义网格范围：-10x20,0y10,及0z18。既然我们打算利用对称，减小计算范围，仅需要堰模型的一半，我们将Y范围限制为STL对象宽度的一半。而且，我们已定义边界，以便问题运行速度快点。但是，实际问题可能需要取一个大的范围。已保存的输入文件prepin.inp中包含一个默认网格。它可在树结构下查看到（笛卡尔坐标系）。在树结构中，单击1开放的X，Y和Z方向的分支。在编辑框中包含各方向范围的单元数。在x方向分支，修改范围：Pt1-10，pt220，设置x方向单元总数量为30，刷新网格显示变化（点击更新网格图标或CTRL+U）。图5网格结果5BoundaryConditions计算范围的所有边界都需要边界条件。缺省情况下，flow3d将所有边界设为对称，即边界没有不稳定的特性和剪切。对于本问题，x最大、x最小边界设定为水压力边界。这是必要的，为了模拟大水库的流态，这两个边界必需保持恒定流深度。下面两图给出了水边界的工作方式。图6显示了水边界在右侧，流体的高度大于内部流体的高度，因此，水是流进边界。图7显示了同样的边界，但是边界液体的高度小于内部液体的高度，结果，液体流出边界。图6初始流体高度设置图7随着流体高度调整既然我们利用对称特性仅处理堰的一半，Y最小边界是个对称平面。Y最大值边界也将设为对称边界，尽管实际上并不对称。一个自由、光滑、无渗透的边界是必要的。如果边界距离堰流体足够远，边界不会影响流态。如果边界太近，它将阻止水在Y方向按自然的方式流动。在对称边界中剩下Z最大、最小边界了。它们与流体不接触，因此边界并不重要。我们只需简单的接受这两个边界的缺省设定。为了这些选项，点击建模（ModelSetup）下的边界（Boundariestab）。边界及边界约束在左侧树形界面显示。每个边界可以点击其右侧按钮设定。在工作空间，划分的网格也同时显示，每个网格边界显示一个图标，见图8。6图8网格边界视图点击x最小边界按钮，选择指定边界压力按钮（theSpecifiedPressureRadiobutton）。而且，选择总压力（StagnationPressure）检查框，设定液体高度为15.5，见图9。点击ok关闭x最小边界对话框。在这个边界上，液体将保持15.5cm高的水压力。水将通过边界进入内部。7图9边界类型调整现在，点击X最大按钮，对该边界选择指定压力按钮（theSpecifiedPressureradiobutton）。同时，选择总压力（theStagnationPressure）检查框，设置液体高度为1.7。设置F百分比值为0（这将阻止液体通过网格进入边界）。关闭X最大值对话框。在这个边界中，将保持一个水压力，液体高度将维持1.7cm，因为流体百分比已经设定为0，水将不能流入，但可以自由流出。初始参数下一步是设定本问题的内部条件。既然我们已设定x的最大、最小边界为水压力，我们需要激活水压力选项，以保证边界条件正确设置。点击建模下的初始条件表（Initialtab），在初始压力域（InitialPressureField），选择z方向静水压力按钮。这将初始化网格中所有液体初始条件为静水压力，同时也指示垂直压力边界为静水压力边界。下一步，在网格中创建初始流体。点击添加（Add），弹出编辑范围（EditRegion）对话框，在对话框中，设置x方向高度“XHigh”为0，z方向高度“ZHigh”为15，同时应按下在流体选项下的添加流体按钮(Addfluidradiobutton)。然后，按ok。再次按添加流体按钮，添加第二个流体域，在编辑域对话框中，设置x低（Xlow）为1，z高（Zhigh）为1.7。然后，按ok。这两个流体域，在零时刻将流体放入网格。注：流体域即为流体的范围，如果在某个方向未设定值，则这个方向流体范围到模型边界。8选择物理模型现在，我们考虑把很多物理模型打开。在总述中，我们讨论了不同的无量纲参数，以及对本问题的影响。回忆一下，我们应考虑黏性，但是我们忽略表面张力。既然流体与壁之间为非光滑，我们采用壁剪切模型。这就确定了，壁的非光滑边界条件。其它有关的参数为流体的重力场。似乎没有必要考虑温度的影响。在建模（ModelSetup）表中选择物理表（Physicstab），点击黏性和紊流（Viscosityandturbulence）按钮，并且选择牛顿黏性（Newtonianviscosity）按钮。在同一个表中，确定壁剪切边界条件的非光滑或部分光滑（No-Sliporpartialslip）的按钮被选择。最后，点击ok，关闭对话框。黏性计算已经被选择，且已经考虑壁边界的黏性剪切影响。点击重力按钮，设定z方向重力加速度-980cm/s2。注意：重力加速度为负值，是因为重力方向在我们的参考系中指向-z。激活重力加速度，重力就成为液体的体力。流体设定在建模（ModelSetup）的流体表（Fluidstab），要提供待分析问题的流体的类型信息。在本问题中，水是我们的流体。需要指定的特性为密度及黏性（记住，我们忽略表面张力的影响，对表面张力不感兴趣）。这些特性，可以直接在树形特性表中输入，也可在流体数据库中加载。对于本问题，我们认为，水处于标准大气压，温度20度。加载水20度的这些特性。选择建模（modesetup）中的流体表（fluidstab），在流体数据库节，找到并高亮20度水，单位为CGS制，点击加载流体1。第一种流体的黏性和密度已被设定。在特性树中，可以展开相应的项目，验证流体的黏性和密度。（水的密度1000kg/m3）注意：在物理表中激活流体后，定义选定模型流体的特性是重要的。如果未做这些，在模拟运行已经结束后，模型无法激活。输出选择在重个模型运行过程中，重启数据的时间间隔，等分为11段。重启数据输出的所有单元的有关信息，依赖于物理模型的选择。选择输出表（outputtab），在重启数据域，设定时间间隔为0.05，这样，每0.05秒，1秒总共20步计算结果。数据Numerics尽管本模拟不需要对此做任何调整，数据表用于设定多个选项，我们应认识它的重要性。例如，可以设置压力结果的类型。可以控制时间步。如果时间步由隐含选项的模型限制，可以使用隐含的选择，如热传导、黏性、弹性