flow3d软件intronumerical介绍和技术基础

1、介绍和技术基础FLOW-3D 水利工程介绍TonyJanuary 1, 2013FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training1什么是 CFD?FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training2January 1, 2013在一个真实环境中模拟流体流动的方法物理情况: 简单化和虚拟化作为一个虚拟模型使用数值求解流体和固体动力学方程FLOW-3D 求解以下：流体运动： 1-D, 2-D, or 3-D相变： boiling and cavitation, solidification, melting多相流: air entrainment, sedim

2、ent transport, oil/water, etc.固体运动：from very small (particles) to very large (gates, etc.)固体应力和变形： weir buckling, sediment erosion, tank failure热传递污染物扩散和化学反应溪流的虚拟模型FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training3January 1, 2013Images by Frank Dworak (2005), “Characterizing Turbulence Structures along Woody Veget

3、ated Banks in Incised Channels: Implications for Stream Restoration,” thesis: University of Tennessee Knoxville, Dec. 2005.更多案例FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training4January 1, 2013FLOW-3D 优势FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training5January 1, 2013FLOW-3D 是一个虚拟的实验室!可视化和测量数据所需的成本仅仅是物模的一小部分在建造一个物模前找到设计缺陷提高设计的安全性

4、和效率Designing a pontoon system to improve passenger safety at wharfs: WorleyParsons & NSW Maritime, 2009.课程目标FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training6January 1, 2013了解模型建立及分析讨论FLOW-3D在特定水利工程上如何使用建立和分析模拟所遵循的工作流程练习建立模型指南了解在哪和如何获得帮助咨询：协助项目工作！FLOW-3D 技术基础FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training7January 1, 2013完全离散 N

5、avier-Stokes 方程正交化结构网格+Multi-block复合网格块FAVOR 在网格内处理复杂几何形状TruVOF准确的自由液面模拟方法被彻底验证许多物理模型时针对特定情况紊流-turbulence表面张力-surface tension相变&多相流-phase change & multi-phase flow流固耦合-fluid/solid interactions自动数值控制提供：准确&稳定的收敛数值解最佳求解&速度的平衡Navier-Stokes Momentum Equations (Cartesian Coordinates)Mass Continuity Equati

6、ons (Cartesian coordinates)流体运动方程FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training8January 1, 2013 : fully compressible: pressible: limited compressibility控制体积方法FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training9January 1, 2013Control volume representation in FLOW-3DStandard control volumeSeries of small control volumes有限体积法FLOW-

7、3D v10.1: Hydraulics Training10January 1, 2013交错网格有限差分法矢量变量置于网格(cell)面心上标量变量置于网格(cell)体心上结构化网格意味着计算域将被分解为若干个长方体单元问题：如何在正交网格内表征曲面的几何？yzxCell centerPressuresTemperaturesScalarsBody forcesCell facesVelocitiesStressesgFAVOR模拟复杂几何FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training11January 1, 2013FAVOR = Fractional Area/

8、Volume Obstacle Representation计算每个单元内的面积和体积比比值被代入守恒方程优势：快速产生网格提升求解计算速度对于特定算例，可以利用调整运动的物体曲率大的表面(如：泄洪道)CalculateAf at three facesVfHeat Transfer AreaAf,topAf,rightVfHeat Transfer AreaAf,front复合区块网格的优点2010 Casting Training连接式网格：可针对几何造型配置嵌套式网格：可增加局部数值分辨率建立自由液面FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training13January

9、1, 2013定义自由液面液体/气体 界面气体的压力梯度很小两种液体密度比很大(10 x)(1) ONE-FLUID APPROACH气体不求解控制方程在界面处施加边界条件优点：空的单元不会被计算优点： 无气/液扩散缺点：气体具有均一压强缺点：气体没有速度(2) TWO-FLUID APPROACH气体求解控制方程计算气液混合的动力学优点：建立气体模型缺点：计算耗时缺点：很可能出现扩散现象缺点：参数设置更复杂TruVOF 流体体积法FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training14January 1, 2013对于准确自由液面VOF法，具有三种要求：准确获得自由液面的位置

10、和方向：采用流体分数 F准确追踪自由液面：对流在自由液面处施加一个完整且准确的边界条件VoidFluidFluid area fractions at faces determine the free-surface orientation within a cell验证 TruVOF算例FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training15January 1, 2013Measured QuantityData*v10.0Diff.Pool depth, yp/H0.4250.428+0.6%Outflow depth, y1/H0.0940.091-0.3%Pool le

11、ngth, Lp/H1.091.06-3.2%Nappe angle, 57.458.3+1.5%Energy loss, E/E00.2590.252-2.76%E0E1ypLpaH*Data: N. Rajaratnam and M.R. Chamani, “Energy Loss at Drops”, J. Hydraulic Res. 33, 1995, pp.373-384.no calculations in air (void):constant pressure impliesfully aerated验证: TruVOF vs. Two-Fluid VOFFLOW-3D v1

12、0.1: Hydraulics Training16January 1, 2013TruVOF (one-fluid)维持陡变的界面与实验数据相符恒压的气体似为开放的腔体密闭（部分泄气）情况也可以被建模（考虑背压）CPU: 双核 20秒Two-Fluid VOF界面处存在扩散：不符合物理现象掺气：不符合物理现象排气必须建立模型：一定是三维模型!运算时间是前者的四倍通常情况如何使用计算流体力学软件FLOW-3D v10.1 Hydraulics Training17January 1, 2013了解你想要从模拟得到什么资料了解什么是你不需要的，以保持尽可能简化模型做一些不需要复杂计算以确定雷诺数

13、和其它无量纲参数以最简单模型开始尽可能从二维算起若快速得到稳态的情况，粗糙网格是最佳的在置于精细网格和三维计算之前，解决可能发生的问题点确保模拟设置参数与实际情况相符仔细检查边界条件和其它参数检查模拟结果与实际数据最对比测量的物理数据手算近似值: Bernoullis equation, Mannings equation, 等确保你了解所得到的结果!一个典型水利工程工作流程FLOW-3D v10.1 Hydraulics Training18January 1, 2013建立简单模型（2D & 稀疏网格）测试简单模型:是否可以运算？修正任何错误对比& 选取“动量对流”选项(可选的)对比 &选

14、取“VOF法”选项(可选的)对比& 选取“数值参数”(可选的)校正 LT,MAX (TLEN)(可选的)通过细化网格以达到结果收敛校正入口湍流(可选的)校正表面粗糙度(可选的)将CFD结果与实验或理论对比结果合理吗?结果合理吗?验证方法可靠性用上面的策略建立目标模拟USE下一步： 参数研究和发表结果等如何需求帮助？FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training19January 1, 2013步骤 1: 查阅.html 用户手册帮助菜单 内容 允许打开弹出窗口(浏览器)搜索或检索变量和术语在全局菜单中选择所需内容步骤 2: 登陆 用户名和密码在 User Site 存放一

15、些算例和软件更新步骤 3: 搜索 资源 Tech Papers: 利用FLOW-3D 软件且已发表研究论文资源 Tech Notes: 开发者对物理模型的算法和方程演示推导过程CFD-101: 由Tony Hirt写的，其为VOF 和 FLOW-3D 创始人搜索: 在tech notes, tech papers, newsletters, CFD-101寻找所关心的内容步骤 4: 联系 或 联系代理商或分公司问题?FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training20January 1, 2013FLOW-3D, TruVOF, and FAVOR are registered trademarks in the U.S. and other cou