水流對沙灘沖刷過程的數(shù)值模擬

1、5.3水流對沙灘沖刷過程的數(shù)值模擬5.3.1 案例簡介本案例是對水流沖刷沙灘過程的氣固液三相流進行數(shù)值模擬,如圖5-3-1所示,這是一個簡化的二維模型,區(qū)域總長度為2000mm總高度為500mm下半部為一傾斜的沙子區(qū)域.水流從左上角的100mnW的進口流入,進入?yún)^(qū)域沖刷沙子,然后從右側500mm高的出口流出.通過模擬,可清楚的看到水流對沙灘的沖刷過程,已經(jīng)氣固液三相的分布情況.圖5-3-1水流沖刷模型5.3.2 Fluent求解計算設置1 .啟動 Fluent-2D(1)雙擊桌面Fluent14.0 圖標,進入啟動界面.(2)選中Dimension 2D單項選擇按鈕,取消對 Display O

2、ptions下的三個復選按鈕的選擇.(3)其它保持默認設置即可,單擊OK按鈕進入Fluent 14.0 主界面窗口.2 .讀入并檢查網(wǎng)格(1)執(zhí)行菜單欄中的File fReacRMesh命令,在弓t出的 Select File對話框中讀入convection.msh 二維網(wǎng)格文件.(2)執(zhí)行菜單欄中的MeshInfo 一Size命令,得到如圖 5-3-3所示的模型網(wǎng)格信息：共有14342個節(jié)點,28411個網(wǎng)格面,14070個網(wǎng)格單元.(2)執(zhí)行菜單欄中的MeshCheck命令.反應信息如圖 5-3-4所示,可以看到計算域三維坐標的上下限,檢查最小體積和最小面積是否為負數(shù).!L puiplCe

3、llsFacFflKirlrsPar t i t i ons? nrll.91H070N8TH1* 取IN1zomrs, fi fie?-圖5-3-3網(wǎng)格數(shù)量信息Donkin Lxtents:x-conrilinril p： nin ( m> = flanidx (n> =九 口皿口ft新中觸y-CQCirdinate; niri (fi) = 0.000000+00B nw (n> = 5*GOOBOte-fii Uolune statistic*ninimini uulunn (m3) : 3；,333241b-D5Hdxliuuki uuluiM? (»3):

4、 9 -037896(*-05 total yoiurw"心兀 Fir? statistics:ninlraudi Face arem(nZ): 3.33333 0-03nxlmuR Face area (m2); 1 pUt)UljtKde-02 匚heizki ng me!&h - - - - - - -l>ur*圖5-3-4 Fluent 網(wǎng)格信息3 .求解器參數(shù)設置(1)單擊選擇左邊workspace 中 Problem SetupfGeneral 命令,在出現(xiàn)的General面板中進行求解器的設置.(2) General面板中,開啟重力加速度.單擊選中Grav

5、ity 復選按鈕,Y(m/s2)文本框輸入-9.8 , Time下選中Transient單項選擇框,其它求解參數(shù)保持默認設置,如圖 5-3-6所示.圖5-3-6求解參數(shù)設置(4)單擊選擇Problem Setup Model命令,對求解模型進行設置,如圖 5-3-7所示.(5)雙擊 Models fViscous-Laminar 選項(或選中 Viscous-Laminar ,然后點擊 Edit ), 翻開 Viscous Model 窗口.(6)在彈出的窗口中, Model下選擇k-epsilon(2 eqn)單項選擇按鈕,其他保持默認,如圖5-3-8所示,單擊OK按鈕,啟動k-e湍流方程.

6、M 口 dels5-3-7計算模型選擇圖5-3-8湍流模型選擇(7)再次回到 Models 面板,雙擊 Multiphase-off 選項,翻開 Multiphase Model 窗口. 單擊選中 Model 下 Eulerian 單項選擇按鈕, Number of Eulerian Phases 設置為 3,如圖 5-3-9 所示,單擊OK完成設置.圖5-3-9多相流模型選擇4 .定義材料物性(1)單擊選擇 Problem SetupMaterials命令,在出現(xiàn)的 Materials 面板中對所需材料進行設置,如圖 5-3-10所示.(2)雙擊面板中的 Materials fFluid選項

7、,彈出材料物性參數(shù)設置對話框,如圖5-3-11所示.(3)材料物性參數(shù)設置對話框中,單擊 FLUENTDatabase按鈕,翻開 FLUENTDatabase Materials 窗口,FLUENTFluid Materials 下選擇 water-liquid(h2o<1>) 選項,如圖 5-3-12 所示,單擊Copy,復制水的物性參數(shù).(4)單擊Change/Create按鈕,保存對水物性參數(shù)的更改,單擊 Close關閉窗口.(5) Name文本框輸入 sand, Chemical Formula 清空,Density(kg/m3) 設置為 2500, Viscosity(k

8、g/m-s) 設置為10,如圖5-3-13所示,單擊 Change/Create按鈕,完成設置.Mate-rielsMi±Lgn±s| .-d. ,t. F, l圖5-3-10材料選擇面板圖5-3-11空氣物性參數(shù)|HuH",Chmcair'Smiua圖5-3-12水物性參數(shù)設置圖5-3-13沙子物性設置-luw Fluid Maw i北ui.#曲yid百厘勺；比屈h炳旭-hicHh® fhne " clih?rh) 3nylidBnEH±bnd® (ch2【二 2、料 z t F千nr wDDd-volatiles

9、選項,翻開 Primary Phase 窗口,Name water-liquid 選項,如圖 5-3-16 所示.選項,翻開 Primary Phase 窗口,Name sand選項,選中 Granular 復選按鈕,5.兩相屬性設置(1)單擊選擇Problem Setup Phases命令,在出現(xiàn)的 Phases面板中對所需材料進行設置,如圖5-3-14所示.(2)雙擊 Phases 下 phase-1-Primary Phase 選項,翻開 Primary Phase 窗口,Name 中輸入air , Phase Material 右側下拉菜單項選擇擇 air選項,如圖5-3-15所示.(

10、3)雙擊 Phases 下 phase-2-Primary Phase 中輸入water , Phase Material右側下拉菜單項選擇擇(4)雙擊 Phases 下 phase-3-Primary Phase 中輸入 sand , Phase Material右側下拉菜單項選擇擇Properties 下 Diameter(m)設置為 0.000111 , Granular Viscosity(kg/m-s) 選擇 gidaspow 選項,Granular Bulk Viscosity(kg/m-s)選擇 lun-et-al 選項,Packing Limit 設置為 0.6 ,如圖5-3-

11、17所示,單擊 OK(5)單擊 Phases 面板中的 Interaction 按鈕,彈出 Phase Interaction 窗口,Drag 選項卡下,相之間白拽力都設置為 schiller-naumann 選項,如圖5-3-18所示,單擊 OK完 成設置.Pfl-a-SEEEd J (iri；占白性身：p圖5-3-15氣相設置圖5-3-16液相設置圖5-3-17沙子設置圖5-3-14氣固液相設置面板圖5-3-18三相間拖拽力設置6.邊界條件設置(1)單擊選擇Problem Setup f Boundary ConditionsConditions 面板中對邊界條件進行設置,如圖 5-3-1

12、9所示.命令,在才T開的BoundaryBoundAiy Condhi»nkBdufsiutFELnrdeF-iut r：iM北u卜“丁 "ElOutl Utl：CESflUftl0圖5-3-19邊界選擇(2)雙擊面板中的 Zone一in選項,彈出 Velocity inlet 都設置為0.01 ,如圖5-3-20所示,單擊 OK完成設置.窗口,湍動能和湍流耗散率圖5-3-20進口邊界條件設置(4) Boundary Conditions 面板中,Phase下方的下拉菜單項選擇擇 water選項,單擊Edit 按鈕,在彈出的窗口中,速度值設置為5m/s,如圖5-3-21所示

13、,單擊選擇 Multiphase 選項卡,設置進口水的體積分數(shù)為 1,如圖5-3-22所示.圖5-3-21進口速度設置圖5-3-22進口水體積分數(shù)設置5.3.3求解計算1.求解限制參數(shù)(1)單擊選擇 Solution Solution Methods 命令,在彈出的 Solution Methods 面板 中對求解限制參數(shù)進行設置.(2) Scheme下選擇Coupled算法,其他保持默認設置,如圖 5-3-23所示.2.求解松弛因子設置(1)單擊選擇 Solution Solution Controls 命令,在弓t出的Solution Controls面板中對求解松弛因子進行設置.(2)面

14、板中 Flow Courant Number 設置為 40, Momentum口 Pressure 都設置為 0.5 , Volume Fraction 設置為 0.4 ,如圖 5-3-24 所示.SnlLitiort Melhod-s；PrBUbV.M 厲 CmEidwmpCni<deG二CQLfJed G th I 3bjT E FECtiCTfi上&Dc-uietKtknGrazrrtLeast 句in毋 Cel Based*M：i討t _mI raQder 1 口昨id vduPwwiF rrffrr LipwndvTuthWMKinrric Ei川奧Fits： Crid

15、er Lpfflid""urtuhrk!.二口牛日：口.4at?l-ffl? tufe-Lpwddaut' uriJlatsnR4 Oidbi lnvriri*SoluitiiDn ConlrolsFbivCaumtlijnihti .Ed江T+Tb產(chǎn)就如$MrgnM D 5一匚 HkriOYm F» 且白&W5 |匚口,不心寸自上|國圖5-3-23求解方法設置rK5UE D.5_iUu -也=_&w a."i|EWflqn"| | I MncwiT圖5-3-24松弛因子設置3.收斂臨界值設置(1)單擊選擇 Soluti

16、on Monitors 命令,翻開 MoEtors 面板,如圖 5-3-25 所示.(2)雙擊 Monitors 面板中 Residuals-Print,Plot 選項,翻開 Residual Monitors 對 話框,energy殘差修改為1e-07 ,其他修改為0.0001 ,如圖5-3-26所示,單擊 OK完成設 置.圖5-3-25殘差設置面板圖5-3-26修改迭代殘差4.流場初始化設置(1 ) 單擊選擇 Solution Solution Initialization 命令,翻開 Solution Initialization 面板.(2)在彈出的Solution Initializ

17、ation面板中進行初始化設置,保持默認設置,單擊Initialize完成初始化,如圖 5-3-27所示.(3)單擊Patch按鈕,翻開 Patch窗口,Zones to Patch 和Phase均選擇sand選項, Variable 下選擇Volume Fraction 選項,設置Value值為1,如圖5-3-28所示,單擊Patch按鈕,完成設置.圖5-3-27流場初始化設定圖5-3-28流場初始相設置8.流動動畫設置(1)單擊選擇Solution fCalculation Activities 命令,中間 workspace 彈出Calculation Activities 面板,Aut

18、osave Every(Time Steps)設置為 3,表示每計算三個時 間步,保存一次數(shù)據(jù),如圖 5-3-29所示.(2)單擊 Solution Animations Create/Edit 按鈕,彈出 Solution Animation 對話 框,設置 Animation Sequences 為1, When下拉菜單項選擇擇 Time Step ,如圖5-3-30所示.(3)單擊 Define ,彈出 Sequence Parameters 窗口,Storage Type 下選擇 In Memory 單項選擇按鈕,如圖5-3-31所示.(4)單擊 Set,彈出溫度監(jiān)視窗口 FLUENT

19、2 ANSYSnc ; Display Type 下選中 Contours 單項選擇按鈕,彈出 Contours對話框.(5)在彈出的 Contours對話框中,Options 下選中Filled 復選按鈕,Contours of 下第一個下拉菜單項選擇擇Phases選項,Phase下選擇air選項,如圖5-3-32所示,單擊Display .(6)單擊Display后,溫度監(jiān)視窗口FLUENT2 ANSYSInc中出現(xiàn)了初始時刻空氣相圖,如圖5-3-33 所示.(7)重復上述操作,完成對初始液相、固相的設置.圖5-3-29動畫設置1圖5-3-30動畫設置2圖5-3-31 動畫設置3圖5-3-

20、32動畫設置4flN6YEFLUENTHQ'(2d1 nnr+on S .5ne-C1l SjOe-tl a.flOe-tMl SjOug Cl 70e-CM| 也85 G.50e-C1 cnoe.ci S5Ue-LH 4口 th© 4削白5aSflOe-CI 2.-5O6-C1 -.JJUe-LH i mm1 口UO 6 小騎 O.QQe+OOQorrtou rs nivo u fracton 捌 i) (TimOODOftfOO)圖5-3-33空氣初始相圖6.迭代計算(1)選擇 File 一Write -Case&Data命令,彈出 Select File 窗口,

21、保存為 scour.case 和 scour.data .(3)單擊選擇 Solution f Run Calculation 命令,翻開 Run Calculation 面板.(4)設置初始 Time Step Size 為 0.0001 , Number of Iterations 設置為 100000, Max Iterations/Time Step設置為20,表示每一個時間步最多進行20次迭代計算,如圖5-3-34所示.單擊Calculate按鈕進行迭代計算.圖5-3-34迭代設置對話框5.3.4計算結果后處理及分析1.三相云圖繪制(1)分別讀入 scour-8-0067.dat 、

22、scour-8-00119.dat 和 scour-8-00187.dat 數(shù)據(jù), 單擊選擇 ResultsfGraphics and Animations 命令, 翻開 Graphics and Animations 面板,如圖5-3-35所示,分別繪制上述三個時刻的空氣相云圖、液相云圖和固相云圖.圖5-3-35氣液相云圖繪制設置(2)最終結果如圖 5-3-36圖5-3-47所示.: DDn-DIt-TOMJi1".DUbhUIiQfjI那么EJ I I L 問5T HJZ1 TWM1 國同SSQhOl SiKibdl,胤 SSde-CI 9MM1 上!SU1i硼Jn14面團 I

23、I Eh I0口rtouE uFHule t i dm * 3 Tw=il.niJjDe-uDO&圖5-3-36初始氣相云圖圖5-3-37 0.299s 時刻氣相云圖110cHX 190*01 VffiXil 5CMI WJI T5W3If WpDI5DCMI4QKM1 1SCMMI (Kb 01 ISChhOIJBCto-QI I1 DOMI 3 moe RD0»«aISXM 3 JCc-Ol 口 3CXH OOXnTg0學初小 5D0MT1CiUta-Dl 3 SUM2UMX7130>e9 3Cb-?0CnritaLn-ol -blirmt fncinn

24、|ar (T'itw=5.9 = JDp-(11iWMMFUUEMT lJlO 111Lnniaj-s -zil'Vc t-me- frjrtnn arl Jime=i= JQDJp-Qil iST&fiLUFNT MG ?FiMMlI r-Mefll,：IMICT4M1 t'OOMJi - fll1 HMIi tDU I MMil j：UU)l：'£0»4)lIIL色如Ml,T WE TMMI1B利河1 frJClt-L1 方加附 £國一2AJe>4i i硼Ml1£工四i I . * iCqFue qI ?Wul v lr: dm wihi：, Tirre=Q JDO. tjCLr':二'口 UF 由用由口n產(chǎn)*學 ieH?班號TS FLU&JT IdOCh州目市FIXEMTHQ 口riMJoo圖5-3-40初始液相云圖圖5-3-41 0.299s 時刻液相云圖,髭*"OJ vieMn a V*«