水流对沙滩冲刷过程的数值模拟

1、5.3水流对沙滩冲刷过程的数值模拟5.3.1 案例简介本案例是对水流冲刷沙滩过程的气固液三相流进行数值模拟,如图5-3-1所示,这是一个简化的二维模型,区域总长度为2000mm总高度为500mm下半部为一倾斜的沙子区域.水流从左上角的100mnW的进口流入,进入区域冲刷沙子,然后从右侧500mm高的出口流出.通过模拟,可清楚的看到水流对沙滩的冲刷过程,已经气固液三相的分布情况.图5-3-1水流冲刷模型5.3.2 Fluent求解计算设置1 .启动 Fluent-2D(1)双击桌面Fluent14.0 图标,进入启动界面.(2)选中Dimension 2D单项选择按钮,取消对 Display O

2、ptions下的三个复选按钮的选择.(3)其它保持默认设置即可,单击OK按钮进入Fluent 14.0 主界面窗口.2 .读入并检查网格(1)执行菜单栏中的File fReacRMesh命令,在弓t出的 Select File对话框中读入convection.msh 二维网格文件.(2)执行菜单栏中的MeshInfo 一Size命令,得到如图 5-3-3所示的模型网格信息：共有14342个节点,28411个网格面,14070个网格单元.(2)执行菜单栏中的MeshCheck命令.反应信息如图 5-3-4所示,可以看到计算域三维坐标的上下限,检查最小体积和最小面积是否为负数.!L puiplCe

3、llsFacFflKirlrsPar t i t i ons? nrll.91H070N8TH1* 取IN1zomrs, fi fie?-图5-3-3网格数量信息Donkin Lxtents:x-conrilinril p： nin ( m> = flanidx (n> =九 口皿口ft新中触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*图5-3-4 Fluent 网格信息3 .求解器参数设置(1)单击选择左边workspace 中 Problem SetupfGeneral 命令,在出现的General面板中进行求解器的设置.(2) General面板中,开启重力加速度.单击选中Grav

5、ity 复选按钮,Y(m/s2)文本框输入-9.8 , Time下选中Transient单项选择框,其它求解参数保持默认设置,如图 5-3-6所示.图5-3-6求解参数设置(4)单击选择Problem Setup Model命令,对求解模型进行设置,如图 5-3-7所示.(5)双击 Models fViscous-Laminar 选项(或选中 Viscous-Laminar ,然后点击 Edit ), 翻开 Viscous Model 窗口.(6)在弹出的窗口中, Model下选择k-epsilon(2 eqn)单项选择按钮,其他保持默认,如图5-3-8所示,单击OK按钮,启动k-e湍流方程.

6、M 口 dels5-3-7计算模型选择图5-3-8湍流模型选择(7)再次回到 Models 面板,双击 Multiphase-off 选项,翻开 Multiphase Model 窗口. 单击选中 Model 下 Eulerian 单项选择按钮, Number of Eulerian Phases 设置为 3,如图 5-3-9 所示,单击OK完成设置.图5-3-9多相流模型选择4 .定义材料物性(1)单击选择 Problem SetupMaterials命令,在出现的 Materials 面板中对所需材料进行设置,如图 5-3-10所示.(2)双击面板中的 Materials fFluid选项

7、,弹出材料物性参数设置对话框,如图5-3-11所示.(3)材料物性参数设置对话框中,单击 FLUENTDatabase按钮,翻开 FLUENTDatabase Materials 窗口,FLUENTFluid Materials 下选择 water-liquid(h2o<1>) 选项,如图 5-3-12 所示,单击Copy,复制水的物性参数.(4)单击Change/Create按钮,保存对水物性参数的更改,单击 Close关闭窗口.(5) Name文本框输入 sand, Chemical Formula 清空,Density(kg/m3) 设置为 2500, Viscosity(k

8、g/m-s) 设置为10,如图5-3-13所示,单击 Change/Create按钮,完成设置.Mate-rielsMi±Lgn±s| .-d. ,t. F, l图5-3-10材料选择面板图5-3-11空气物性参数|HuH",Chmcair'Smiua图5-3-12水物性参数设置图5-3-13沙子物性设置-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、选项,翻开 Primary Phase 窗口,Name water-liquid 选项,如图 5-3-16 所示.选项,翻开 Primary Phase 窗口,Name sand选项,选中 Granular 复选按钮,5.两相属性设置(1)单击选择Problem Setup Phases命令,在出现的 Phases面板中对所需材料进行设置,如图5-3-14所示.(2)双击 Phases 下 phase-1-Primary Phase 选项,翻开 Primary Phase 窗口,Name 中输入air , Phase Material 右侧下拉菜单项选择择 air选项,如图5-3-15所示.(

10、3)双击 Phases 下 phase-2-Primary Phase 中输入water , Phase Material右侧下拉菜单项选择择(4)双击 Phases 下 phase-3-Primary Phase 中输入 sand , Phase Material右侧下拉菜单项选择择Properties 下 Diameter(m)设置为 0.000111 , Granular Viscosity(kg/m-s) 选择 gidaspow 选项,Granular Bulk Viscosity(kg/m-s)选择 lun-et-al 选项,Packing Limit 设置为 0.6 ,如图5-3-

11、17所示,单击 OK(5)单击 Phases 面板中的 Interaction 按钮,弹出 Phase Interaction 窗口,Drag 选项卡下,相之间白拽力都设置为 schiller-naumann 选项,如图5-3-18所示,单击 OK完 成设置.Pfl-a-SEEEd J (iri；占白性身：p图5-3-15气相设置图5-3-16液相设置图5-3-17沙子设置图5-3-14气固液相设置面板图5-3-18三相间拖拽力设置6.边界条件设置(1)单击选择Problem Setup f Boundary ConditionsConditions 面板中对边界条件进行设置,如图 5-3-1

12、9所示.命令,在才T开的BoundaryBoundAiy Condhi»nkBdufsiutFELnrdeF-iut r：iM北u卜“丁 "ElOutl Utl：CESflUftl0图5-3-19边界选择(2)双击面板中的 Zone一in选项,弹出 Velocity inlet 都设置为0.01 ,如图5-3-20所示,单击 OK完成设置.窗口,湍动能和湍流耗散率图5-3-20进口边界条件设置(4) Boundary Conditions 面板中,Phase下方的下拉菜单项选择择 water选项,单击Edit 按钮,在弹出的窗口中,速度值设置为5m/s,如图5-3-21所示

13、,单击选择 Multiphase 选项卡,设置进口水的体积分数为 1,如图5-3-22所示.图5-3-21进口速度设置图5-3-22进口水体积分数设置5.3.3求解计算1.求解限制参数(1)单击选择 Solution Solution Methods 命令,在弹出的 Solution Methods 面板 中对求解限制参数进行设置.(2) Scheme下选择Coupled算法,其他保持默认设置,如图 5-3-23所示.2.求解松弛因子设置(1)单击选择 Solution Solution Controls 命令,在弓t出的Solution Controls面板中对求解松弛因子进行设置.(2)面

14、板中 Flow Courant Number 设置为 40, Momentum口 Pressure 都设置为 0.5 , Volume Fraction 设置为 0.4 ,如图 5-3-24 所示.SnlLitiort Melhod-s；PrBUbV.M 厉 CmEidwmpCni<deG二CQLfJed G th I 3bjT E FECtiCTfi上&Dc-uietKtknGrazrrtLeast 句in毋 Cel Based*M：i讨t _mI raQder 1 口昨id vduPwwiF rrffrr LipwndvTuthWMKinrric Ei川奥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产就如$MrgnM D 5一匚 HkriOYm F» 且白&W5 |匚口,不心寸自上|国图5-3-23求解方法设置rK5UE D.5_iUu -也=_&w a."i|EWflqn"| | I MncwiT图5-3-24松弛因子设置3.收敛临界值设置(1)单击选择 Soluti

16、on Monitors 命令,翻开 MoEtors 面板,如图 5-3-25 所示.(2)双击 Monitors 面板中 Residuals-Print,Plot 选项,翻开 Residual Monitors 对 话框,energy残差修改为1e-07 ,其他修改为0.0001 ,如图5-3-26所示,单击 OK完成设 置.图5-3-25残差设置面板图5-3-26修改迭代残差4.流场初始化设置(1 ) 单击选择 Solution Solution Initialization 命令,翻开 Solution Initialization 面板.(2)在弹出的Solution Initializ

17、ation面板中进行初始化设置,保持默认设置,单击Initialize完成初始化,如图 5-3-27所示.(3)单击Patch按钮,翻开 Patch窗口,Zones to Patch 和Phase均选择sand选项, Variable 下选择Volume Fraction 选项,设置Value值为1,如图5-3-28所示,单击Patch按钮,完成设置.图5-3-27流场初始化设定图5-3-28流场初始相设置8.流动动画设置(1)单击选择Solution fCalculation Activities 命令,中间 workspace 弹出Calculation Activities 面板,Aut

18、osave Every(Time Steps)设置为 3,表示每计算三个时 间步,保存一次数据,如图 5-3-29所示.(2)单击 Solution Animations Create/Edit 按钮,弹出 Solution Animation 对话 框,设置 Animation Sequences 为1, When下拉菜单项选择择 Time Step ,如图5-3-30所示.(3)单击 Define ,弹出 Sequence Parameters 窗口,Storage Type 下选择 In Memory 单项选择按钮,如图5-3-31所示.(4)单击 Set,弹出温度监视窗口 FLUENT

19、2 ANSYSnc ; Display Type 下选中 Contours 单项选择按钮,弹出 Contours对话框.(5)在弹出的 Contours对话框中,Options 下选中Filled 复选按钮,Contours of 下第一个下拉菜单项选择择Phases选项,Phase下选择air选项,如图5-3-32所示,单击Display .(6)单击Display后,温度监视窗口FLUENT2 ANSYSInc中出现了初始时刻空气相图,如图5-3-33 所示.(7)重复上述操作,完成对初始液相、固相的设置.图5-3-29动画设置1图5-3-30动画设置2图5-3-31 动画设置3图5-3-

20、32动画设置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 小骑 O.QQe+OOQorrtou rs nivo u fracton 捌 i) (TimOODOftfOO)图5-3-33空气初始相图6.迭代计算(1)选择 File 一Write -Case&Data命令,弹出 Select File 窗口,

21、保存为 scour.case 和 scour.data .(3)单击选择 Solution f Run Calculation 命令,翻开 Run Calculation 面板.(4)设置初始 Time Step Size 为 0.0001 , Number of Iterations 设置为 100000, Max Iterations/Time Step设置为20,表示每一个时间步最多进行20次迭代计算,如图5-3-34所示.单击Calculate按钮进行迭代计算.图5-3-34迭代设置对话框5.3.4计算结果后处理及分析1.三相云图绘制(1)分别读入 scour-8-0067.dat 、

22、scour-8-00119.dat 和 scour-8-00187.dat 数据, 单击选择 ResultsfGraphics and Animations 命令, 翻开 Graphics and Animations 面板,如图5-3-35所示,分别绘制上述三个时刻的空气相云图、液相云图和固相云图.图5-3-35气液相云图绘制设置(2)最终结果如图 5-3-36图5-3-47所示.: DDn-DIt-TOMJi1".DUbhUIiQfjI那么EJ I I L 问5T HJZ1 TWM1 国同SSQhOl SiKibdl,胤 SSde-CI 9MM1 上!SU1i硼Jn14面团 I

23、I Eh I0口rtouE uFHule t i dm * 3 Tw=il.niJjDe-uDO&图5-3-36初始气相云图图5-3-37 0.299s 时刻气相云图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学初小 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 £国一2AJe>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产*学 ieH?班号TS FLU&JT IdOCh州目市FIXEMTHQ 口riMJoo图5-3-40初始液相云图图5-3-41 0.299s 时刻液相云图,髭*"OJ vieMn a V*«