FLUENT明渠边界应用

FLUENT的VOF模型中,包含有明渠流动(Open Channel Flow)选项,同时含包含有造波边界(Open Channel Wave BC),用户还可以使用Numerical Beach选项进行边界消波处理。想深入了解此功能的童鞋们,可以查看fluent文档。这里我们以一个简单的实例来说明这三个选项的使用方法。

1、问题描述

这里方便起见,以2D问题为例。水深2.7m,长度20m,水面标高0m。计算域如图1所示。设置左侧面为速度入口边界,速度v=0.5m/s,右侧面为自由出流边界。采用open channel wave BC边界需要设定入射波。本问题中,设定波高0.4m,波长2m,波头角0°,相位角-270°。

图1问题描述

2、在workbench中建立模型

启动workbench,拖拽方式加入fluent模块,如图2所示。右键点击A2单元格,选择Properties,在弹出的属性框中设置Analysis Type为2D。双击A2单元格进入DM模块。

图2加入fluent模块

3、DM中建立几何

选择XYPlane进行草图绘制(注意2D几何必须创建与XY平面上)。进入Sketching标签页,选取合适的草图绘制工具,绘制如图1所示的几何。草图绘制完毕后,选择Concept > Surface From Sketches,选择Base Objects为绘制好的草图,点击Generate创建surface。退出DM模块。

图3建立surface

4、划分网格

双击图2所示的A3单元格进入mesh模块。为计算域划分网格。在树形菜单上点击右键,选择insert > Mapped Face Meshing,选择几何体,采用map方式划分网格。

右键点击mesh,选择子菜单insert > sizing,选择几何,设置element size为0.1。

右键点击mesh,选择子菜单Generate mesh,生成网格。

选择左侧边,点击右键,选择Create named selection,设置边界名称为velocity_inlet。如图4所示。同样操作设置右侧边界名称为outfow。设置上边界名称为walls_top,设置底部边界名称为walls_bottom(这里命名遵循一定规则的话,导入至fluent会自动识别边界类型,否则需要人工指定边界类型)。

图4指定边界名称

退出mesh模块。右键点击A3单元格,选择Update以更新数据。

5、进入FLUENT,设置general项设置

双击图2中的A4单元格,进入FLUENT设置。选择Double Precision(双精度)计算。

这里不需要进行scale操作,设置Generate中Time为transient(瞬态计算),勾选Gravity项,设置重力加速度方向为Y轴-9.81。如图5所示。

图5 General设置

6、设置VOF

进入Models项,选择MultiPhase,点击Edit按钮,设置多相流。进行如图6所示设置。

图6设置VOF模型

7、设置湍流模型

选择RNG k-epsilon模型,选用scalable wall function。如图7所示。

图7设置湍流模型

8、添加材料水

进入material项,添加水至材料清单中。(此步太基础,篇幅所限,略去)

9、设置Phases

进入Phases项,设置空气为主相,水为第二相。

10、设置计算域属性

进入Cell Zone Conditions项,确保Phases下选择的是Mixture,点击Edit按钮编辑流体域属性。

进入Multiphase标签页,勾选Numerical Beach选项,设置Free Surface Level(自由液面表高)为0,设置Bottom Level(河床标高)为-2.7,设置流动方向x为1,y为0。设置Damping Length Specification为End Point and Wave Lengths,设置End Point(波结束点)为18,wave length(波长)2,number of Wave Length(波数)4,其他采用默认设置。点击OK确认完成计算域设置。

11、边界条件设置

主要设置入口边界与出口边界。进入Boundary Conditions项,选择Velocity_inlet,可以看到,fluent自动匹配边界类型为velocity inlet。确保phase选择为mixture,点击Edit进入边界条件编辑。

勾选Open Channel Wave BC,设置入口速度Uniform Flow Velocity Magnitude为0.5m/s,设置湍流强度2%,水力直径5.4m。如图8所示。

图8边界条件设置

进入Multiphase标签页,设置参数如图9所示。这些参数说明可以详见FLUENT帮助文档。

图9多相流设置

Outflow边界采用默认设置即可。

12、其他需要设置的内容

瞬态计算,用户可以设置在Calculation Activities中设置自动保存以及动画。

13、初始化

选择velocity_inlet边界进行初始化,同时patch水位线以下部分为水。

选择Adapt > Regions,如图10进行设置,点击Mark按钮标记单元。

图10标记单元

点击Solution Initialization项中的Patch按钮,如图11进行设置。点击patch按钮。

图11 patch操作

14、进行计算

进入Run Calculation项,设置Time Step Size为0.01s,设置number of Time Step为1000,其他采用默认设置。点击Calculate进行计算。

15、总结

(1)FLUENT只能创建浅波,波高与水深的比值有上限,可以查阅理论文档。本例不一定满足条件。

(2)可以在numerical beach中设置波的数量。

(3)利用不同wave theory可以创建不同的波型,具体理论参阅fluent theory guide。