水流對(duì)沙灘沖刷過(guò)程的數(shù)值模擬

5.3水流對(duì)沙灘沖刷過(guò)程的數(shù)值模擬5.3.1案例簡(jiǎn)介本案例是對(duì)水流沖刷沙灘過(guò)程的氣固液三相流進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖5-3-1所示，這是一個(gè)簡(jiǎn)化的二維模型，區(qū)域總長(zhǎng)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100mm高的進(jìn)口流入，進(jìn)入?yún)^(qū)域沖刷沙子，然后從右側(cè)500mm高的出口流出。通過(guò)模擬，可清楚的看到水流對(duì)沙灘的沖刷過(guò)程，已經(jīng)氣固液三相的分布情況。圖5-3-1水流沖刷模型5.3.2Fluent求解計(jì)算設(shè)置1．啟動(dòng)Fluent-2D〔1〕雙擊桌面Fluent14.0圖標(biāo)，進(jìn)入啟動(dòng)界面。〔2〕選中Dimension→2D單項(xiàng)選擇按鈕，取消對(duì)DisplayOptions下的三個(gè)復(fù)選按鈕的選擇?！?〕其它保持默認(rèn)設(shè)置即可，單擊OK按鈕進(jìn)入Fluent14.0主界面窗口。2．讀入并檢查網(wǎng)格〔1〕執(zhí)行菜單欄中的File→Read→Mesh命令，在彈出的SelectFile對(duì)話框中讀入convection.msh二維網(wǎng)格文件?！?〕執(zhí)行菜單欄中的Mesh→Info→Size命令，得到如圖5-3-3所示的模型網(wǎng)格信息：共有14342個(gè)節(jié)點(diǎn)，28411個(gè)網(wǎng)格面，14070個(gè)網(wǎng)格單元。〔2〕執(zhí)行菜單欄中的Mesh→Check命令。反應(yīng)信息如圖5-3-4所示，可以看到計(jì)算域三維坐標(biāo)的上下限，檢查最小體積和最小面積是否為負(fù)數(shù)。圖5-3-3網(wǎng)格數(shù)量信息圖5-3-4Fluent網(wǎng)格信息3．求解器參數(shù)設(shè)置〔1〕單擊選擇左邊workspace中ProblemSetup→General命令，在出現(xiàn)的General面板中進(jìn)行求解器的設(shè)置?！?〕General面板中，開(kāi)啟重力加速度。單擊選中Gravity復(fù)選按鈕，Y(m/s2)文本框輸入-9.8，Time下選中Transient單項(xiàng)選擇框，其它求解參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置，如圖5-3-6所示。圖5-3-6求解參數(shù)設(shè)置〔4〕單擊選擇ProblemSetup→Model命令，對(duì)求解模型進(jìn)行設(shè)置，如圖5-3-7所示?！?〕雙擊Models→Viscous-Laminar選項(xiàng)〔或選中Viscous-Laminar，然后點(diǎn)擊Edit〕，翻開(kāi)ViscousModel窗口?！?〕在彈出的窗口中，Model下選擇k-epsilon(2eqn)單項(xiàng)選擇按鈕，其他保持默認(rèn)，如圖5-3-8所示，單擊OK按鈕，啟動(dòng)k-e湍流方程。圖5-3-7計(jì)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(xiàng)，翻開(kāi)MultiphaseModel窗口。單擊選中Model下Eulerian單項(xiàng)選擇按鈕，NumberofEulerianPhases設(shè)置為3，如圖5-3-9所示，單擊OK完成設(shè)置。圖5-3-9多相流模型選擇4．定義材料物性〔1〕單擊選擇ProblemSetup→Materials命令，在出現(xiàn)的Materials面板中對(duì)所需材料進(jìn)行設(shè)置，如圖5-3-10所示?！?〕雙擊面板中的Materials→Fluid選項(xiàng)，彈出材料物性參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，如圖5-3-11所示?！?〕材料物性參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中，單擊FLUENTDatabase按鈕，翻開(kāi)FLUENTDatabaseMaterials窗口，F(xiàn)LUENTFluidMaterials下選擇water-liquid(h2o<1>)選項(xiàng)，如圖5-3-12所示，單擊Copy，復(fù)制水的物性參數(shù)。〔4〕單擊Change/Create按鈕，保存對(duì)水物性參數(shù)的更改，單擊Close關(guān)閉窗口?！?〕Name文本框輸入sand，ChemicalFormula清空，Density(kg/m3)設(shè)置為2500，Viscosity(kg/m-s)設(shè)置為10，如圖5-3-13所示，單擊Change/Create按鈕，完成設(shè)置。圖5-3-10材料選擇面板圖5-3-11空氣物性參數(shù)圖5-3-12水物性參數(shù)設(shè)置圖5-3-13沙子物性設(shè)置5．兩相屬性設(shè)置〔1〕單擊選擇ProblemSetup→Phases命令，在出現(xiàn)的Phases面板中對(duì)所需材料進(jìn)行設(shè)置，如圖5-3-14所示?！?〕雙擊Phases下phase-1-PrimaryPhase選項(xiàng)，翻開(kāi)PrimaryPhase窗口，Name中輸入air，PhaseMaterial右側(cè)下拉菜單項(xiàng)選擇擇air選項(xiàng)，如圖5-3-15所示。〔3〕雙擊Phases下phase-2-PrimaryPhase選項(xiàng)，翻開(kāi)PrimaryPhase窗口，Name中輸入water，PhaseMaterial右側(cè)下拉菜單項(xiàng)選擇擇water-liquid選項(xiàng)，如圖5-3-16所示。〔4〕雙擊Phases下phase-3-PrimaryPhase選項(xiàng)，翻開(kāi)PrimaryPhase窗口，Name中輸入sand，PhaseMaterial右側(cè)下拉菜單項(xiàng)選擇擇sand選項(xiàng)，選中Granular復(fù)選按鈕，Properties下Diameter(m)設(shè)置為0.000111，GranularViscosity(kg/m-s)選擇gidaspow選項(xiàng)，GranularBulkViscosity(kg/m-s)選擇lun-et-al選項(xiàng)，PackingLimit設(shè)置為0.6，如圖5-3-17所示，單擊OK。〔5〕單擊Phases面板中的Interaction按鈕，彈出PhaseInteraction窗口，Drag選項(xiàng)卡下，相之間的拽力都設(shè)置為schiller-naumann選項(xiàng)，如圖5-3-18所示，單擊OK完成設(shè)置。圖5-3-14氣固液相設(shè)置面板圖5-3-15氣相設(shè)置圖5-3-16液相設(shè)置圖5-3-17沙子設(shè)置圖5-3-18三相間拖拽力設(shè)置6．邊界條件設(shè)置〔1〕單擊選擇ProblemSetup→BoundaryConditions命令，在翻開(kāi)的BoundaryConditions面板中對(duì)邊界條件進(jìn)行設(shè)置，如圖5-3-19所示。圖5-3-19邊界選擇〔2〕雙擊面板中的Zone→in選項(xiàng)，彈出Velocityinlet窗口，湍動(dòng)能和湍流耗散率都設(shè)置為0.01，如圖5-3-20所示，單擊OK完成設(shè)置。圖5-3-20進(jìn)口邊界條件設(shè)置〔4〕BoundaryConditions面板中，Phase下方的下拉菜單項(xiàng)選擇擇water選項(xiàng)，單擊Edit按鈕，在彈出的窗口中，速度值設(shè)置為5m/s，如圖5-3-21所示，單擊選擇Multiphase選項(xiàng)卡，設(shè)置進(jìn)口水的體積分?jǐn)?shù)為1，如圖5-3-22所示。圖5-3-21進(jìn)口速度設(shè)置圖5-3-22進(jìn)口水體積分?jǐn)?shù)設(shè)置5.3.3求解計(jì)算1．求解控制參數(shù)〔1〕單擊選擇Solution→SolutionMethods命令，在彈出的SolutionMethods面板中對(duì)求解控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置?！?〕Scheme下選擇Coupled算法，其他保持默認(rèn)設(shè)置，如圖5-3-23所示。2．求解松弛因子設(shè)置〔1〕單擊選擇Solution→SolutionControls命令，在彈出的SolutionControls面板中對(duì)求解松弛因子進(jìn)行設(shè)置?！?〕面板中FlowCourantNumber設(shè)置為40，Momentum和Pressure都設(shè)置為0.5，VolumeFraction設(shè)置為0.4，如圖5-3-24所示。圖5-3-23求解方法設(shè)置圖5-3-24松弛因子設(shè)置3．收斂臨界值設(shè)置〔1〕單擊選擇Solution→Monitors命令，翻開(kāi)Monitors面板，如圖5-3-25所示?！?〕雙擊Monitors面板中Residuals-Print,Plot選項(xiàng)，翻開(kāi)ResidualMonitors對(duì)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(shè)置。圖5-3-25殘差設(shè)置面板圖5-3-26修改迭代殘差4．流場(chǎng)初始化設(shè)置〔1〕單擊選擇Solution→SolutionInitialization命令，翻開(kāi)SolutionInitialization面板?！?〕在彈出的SolutionInitialization面板中進(jìn)行初始化設(shè)置，保持默認(rèn)設(shè)置，單擊Initialize完成初始化，如圖5-3-27所示?！?〕單擊Patch按鈕，翻開(kāi)Patch窗口，ZonestoPatch和Phase均選擇sand選項(xiàng)，Variable下選擇VolumeFraction選項(xiàng)，設(shè)置Value值為1，如圖5-3-28所示，單擊Patch按鈕，完成設(shè)置。圖5-3-27流場(chǎng)初始化設(shè)定圖5-3-28流場(chǎng)初始相設(shè)置8．流動(dòng)動(dòng)畫設(shè)置〔1〕單擊選擇Solution→CalculationActivities命令，中間workspace彈出CalculationActivities面板，AutosaveEvery(TimeSteps)設(shè)置為3，表示每計(jì)算三個(gè)時(shí)間步，保存一次數(shù)據(jù)，如圖5-3-29所示?！?〕單擊SolutionAnimations→Create/Edit按鈕，彈出SolutionAnimation對(duì)話框，設(shè)置AnimationSequences為1，When下拉菜單項(xiàng)選擇擇TimeStep，如圖5-3-30所示。〔3〕單擊Define，彈出SequenceParameters窗口，StorageType下選擇InMemory單項(xiàng)選擇按鈕，如圖5-3-31所示?！?〕單擊Set，彈出溫度監(jiān)視窗口FLUENT[2]ANSYSInc；DisplayType下選中Contours單項(xiàng)選擇按鈕，彈出Contours對(duì)話框?！?〕在彈出的Contours對(duì)話框中，Options下選中Filled復(fù)選按鈕，Contoursof下第一個(gè)下拉菜單項(xiàng)選擇擇Phases選項(xiàng)，Phase下選擇air選項(xiàng)，如圖5-3-32所示,單擊Display?！?〕單擊Display后，溫度監(jiān)視窗口FLUENT[2]ANSYSInc中出現(xiàn)了初始時(shí)刻空氣相圖，如圖5-3-33所示。〔7〕重復(fù)上述操作，完成對(duì)初始液相、固相的設(shè)置。圖5-3-29動(dòng)畫設(shè)置1圖5-3-30動(dòng)畫設(shè)置2圖5-3-31動(dòng)畫設(shè)置3圖5-3-32動(dòng)畫設(shè)置4圖5-3-33空氣初始相圖6．迭代計(jì)算〔1〕選擇File→Write→Case&Data…命令，彈出SelectFile窗口，保存為scour.case和scour.data?！?〕單擊選擇Solution→RunCalculation命令，翻開(kāi)RunCalculation面板?！?〕設(shè)置初始TimeStepSize為0.0001，NumberofIterations設(shè)置為100000，MaxIterations/TimeStep設(shè)置為20，表示每一個(gè)時(shí)間步最多進(jìn)行20次迭代計(jì)算，如圖5-3-34所示。單擊Calculate按鈕進(jìn)行迭代計(jì)算。圖5-3-34迭代設(shè)置對(duì)話框5.3.4計(jì)算結(jié)果后處理及分析1．三相云圖繪制〔1〕分別讀入scour-8-0067.dat、scour-8-00119.dat和scour-8-00187.dat數(shù)據(jù)，單擊選擇Results→GraphicsandAnimations命令，翻開(kāi)GraphicsandAnimations面板，如圖5-3-35所示，分別繪制上述三個(gè)時(shí)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(shè)置〔2〕最終結(jié)果如圖5-3-