flow3dHydraulics教程.pdf
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1、1Flow3d 9.3.2 Hydraulics Tutorial 水力教程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(Reynolds Number)雷诺数=Inertial Force/Viscous Force=贯性力/黏性=UL/Bo(Bond Number)邦德数=Gravitational Forc
2、e/Surface Tension Force=重力/表面张力=gL2/We(Weber Number)韦伯数=Inertial Force/Surface Tension Force=惯性力/表面张力=LU2/这里 U 是特征速度,L 是特征长度,g 是重力加速度,是密度,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)=187.8 cm/s流体的雷诺数为:Re=30cm x 187.8cm/s/10-2cm2/s=5.6 x 105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
3、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。2邦德数按下式求得:Bo=980cm/s2*1 gm/cc*(30cm)2/(73gm/s2)=1.2 x 104韦伯数按下式求得:We=30cm*(187.8 cm/s)2*1gm/cc/(73gm/s2)=1.45 x 104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
4、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。建模建模总体参数总体参数点击“Model Setup”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“Simulation units”标题菜单中,选 CGS 单位(厘米。克。秒),其它设置采用缺省设
5、置。在“总信息表 Global tab”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“Flow over a Weir”(过堰流体)。建立几何体建立几何体Geometry Setup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:flow3dguistl_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“Geometry File”点击 ok,
6、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“New Component 2”,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。
7、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
8、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
9、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:-10 x20,0y10,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
10、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5Boundary Conditions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
11、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(Model Setup)下的边界(Boundaries tab)。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
12、。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(the Specified Pressure Radio button)。而且,选择总压力(Stagnation Pressure)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(the Specified Pressure radio button)。同时,选择总压力(the
13、 Stagnation Pressure)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(Initial tab),在初始压力域(Initial Pressure Field),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,
14、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(Edit Region)对话框,在对话框中,设置 x 方向高度“X High”为 0,z 方向高度“Z High”为 15,同时应按下在流体选项下的添加流体按钮(Add fluid radio button)。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(X low)为 1,z 高(Z high)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注:流体域即为流体的
15、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。边界。8选择物理模型选择物理模型现在,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(Model Setup)表中选择物理表(Physics tab),点击黏性和紊流(Viscosity and turbulence)按钮,并且选择牛顿黏性(Newtonian viscosity)按钮。在同一个表中,确定壁剪
16、切边界条件的非光滑或部分光滑(No-Slip or partial slip)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。流体设定流体设定在建模(Model Setup)的流体表(Fluids tab),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
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