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文档简介
空化现象?FLOW-3D
v10.1
Hydraulics
Training气蚀是微小气泡核的形成,快速扩张和
。有两种类型的气泡的形成:惯性驱动(由压力引起的空化现象):携带气体是主要形成的气泡来源热驱动(也称为热沸点):气化的液体是主要形成的气泡来源在水工建筑物中比较常见是由惯性驱动的引起空化现象。因为气泡造成的冲击波,可以损坏固体和机械结构物。空化模型(Cavitation
)“Activate
Cavitation
Model”直接模拟气蚀
模拟气蚀产生的状况当压力小于气蚀压力时“cavitation
pressure”会有气泡生成“Characteristic
timeforformation
of
cavitationbubbles”控制气泡生成的速率气蚀气泡的生成主要取决于气蚀压力“Cavitation
pressure”网格必须足以解析气泡生成可能无法模拟气蚀刚发生的阶断,因为这时候的气泡通常远小于网格尺寸CavitationPotentialModel气蚀“Activate
CavitationPotential
Model”对固体表面气蚀影响的积分一种较有效率的计算方式:仿真 气蚀可能发生的区域并没有真正计算气泡的生成.基本计算方式是将局部流体压力与气蚀压力之间的差值对时间积分.每个格网积分所得的值 为--
“Cavitation
potential”.“Cavitation
potential”的数值越大代表气蚀发生的可能性越大.t0S
pPiCjkA)0V(
t变密度流流体内密度会发生变化无明显分界面:混溶例子:在水中的盐梯度水中热梯度可溶性污染物可压缩气体多相流变密度和多相流?流体内存在独立两相:混溶相间有明显分界面例子:水和空气(气泡)空气和微粒(灰尘)水和颗粒物(泥沙)水和油(互不溶液滴)变密度流在每个时间步内单元会被赋予一个密度密度可以是一个函数:温度纯量量的污染物浓度分散的不混溶相的浓度(空气,沉积物)多相流模型(
Drift-Flux
)多项流:流体/流体,流体/气泡,或流体/颗粒在
续气体或液体内某一相是分散时使用在水中的气泡或沙粒由于阻力和密度存在,相与相间会有速度差异:较大的相对速度:必须分别求解不同成分的速度场e.g.水滴穿过空气降落,石头 水中.–
较小的相对速度:可以视为对象相对于主要的流体飘移运动e.g.空气被卷入水中,泥沙在水中.主要适用于流场中发生较小相对速度的飘移运动Dispersed
phaseContinuous
phase多相流验证油和水验证Oil
/
WatermixtureOilWaterWaterOil/water
separator
simulation在紊流液面处掺气若你需要在
液面处考虑空气影响,那么打开
掺气和
湍流
物理模型提供三种方式建立模型:作为纯量模型(不影响流体密度)气体是零体积(仅当<2%下使用)不需要打开Scalar
物理模型Density
Evaluation
(1st
or2nd-order)(考虑体积影响)增加的纯量,使之与流体成为混合密度Density
Eval
&
Drift-flux:(考虑浮力效应影响)在单元内增加气泡阻力和相对速度允许气体在
液面处离开(脱气)固体为刚体:给定运动或耦合运动给定运动(Prescribed
motion):
需用户指定,
会影响流体运动.耦合运动(Coupled
motion):程序自动计算,流体和物体完全耦合运动.固定网格法网格类型:
固定不动的物体:
可以在网格内移动FAVORTM
技术:
通过面积和体积比例~时间
控制优点高效的.No
moving
mesh,
deforming
mesh
or
re-meshing.允许多个物体同时运动.No
restriction
on
distance
between
objects.No
restriction
on
complexity
of
object
motion.准确而稳定GMO
流固耦合模型移动物体:定义几何组件(可以stl
等格式)组件总数量<500每个运动物体都可以设定独立运动类型运动类型:给定运动或耦合运动6个 度
(DOF);沿固定轴旋转;沿固定点平移模型功能GMO
案例粒子模型(Particle)FLOW-3D®
可以将颗粒流中的颗粒视为Lagrangian颗粒分散的颗粒,分别追踪运动的轨迹是根据个别颗粒的力平衡计算Marker
particles主要随流体运动–不考虑飘移Mass
particles会根据密度飘移、沉积或悬浮,并可以分类成:均匀的粒径与密度均匀的粒径但不同的密度均匀的密度但不同的粒径带电粒子虽然有定义粒径大小,但并没有真正占据实际的体积颗粒-流体作用:单向的作用完整的流体颗粒耦合不考虑颗粒与颗粒之间的相互作用泥沙冲刷模型(Sediment
scour)FLOW-3D中考虑五种沉积物传输机制:飘移(沉淀)沉积物会因为重力作用沉降移动沉积物会随的水流运动带起沉积物被卷入水流中然后随着移动或沉降底床载传输沉积物沿底床表面滚动或跳动堆积沉积物会有堆积 的现象实验验证FLOW-3D
v10.1
Hydraulics
TrainingA
bench-scale
lab
model
was
built
to
simulate
the
drop
and
scour.Tovalidate
thesoftware, the
height
of
the
standingwaveagainst
the
upstream
side
of
the pier
was
compared
to
FLOW-3D
results. Matching
was
found
to
be
successful.实验验证FLOW-3D
v10.1
Hydraulics
TrainingQualitative
comparison
of
results
matched
well,
includingthe
undercut
of
the pier
(10
sec
and
80
sec
shown).Thanks
to
Allen
Lin
for
the
model
and
results!浅水模型Shallow
Water适用:水深平均流体(Depth-Averaged
Flow)假设垂直方向加速度可以忽略,且垂直方向所有变量可用其平均值代替利用二维动量方程求解利用特殊的粘度和湍流模型流动可以是层流或湍流与Viscosity
&
Turbulence
模型不兼容Laminar
model:
uses
ROUGH
(by
component)T DRAG
COEFFICIENT
(global)浅水模型网格与几何设定考虑x&y
方向二维网格重力必须在设定在z
方向Z方向必须要有2
个网格上方的网格是用来计算风切(wind
shear)流体的流动范围必须控制在下方网格利用固定点功能来给定z方向网格分布基本功能绘制几何:可以利用.stl图文件或可将.topo
高程转成stl
资料任一水平网格只能对应一个垂直高程数据范例Simulation
courtesy
of
Dan
Gessler
and
Alden
Labs增加风剪效应(Wind
Effects)Wind
shear
can
be
modeled
on
the
free
surfaceset
pressure-type
boundary
atz-max,withF=0set
tangentialvelocity
components,
constantortime-dependentset
wind
shear
coefficient
CD,WIND
(WNDSHR)set
air
density
ρair
(RHOAIR)Can
be
used
in
3-D
models
too!2S
CD,WINDairuWIND增加科里奥利效应(Coriolis
effect)For
very
large s,
effects
of
the
Earth’s
rotation
are
importantactivate
Non-Inertial
Reference
Frame
>
Geophysical
Fluid
Flow
physicsspecify
the
mean
latitude
of
the (assumes
it’s
onEarth)Can
be
used
in
3-D
flows,
too!3-D
和2-D
混合网格建模可以是三维网格和二维浅水网格混合使用二维速度在交界面处
值到三维网格块–
当流动从二维到三维网格时假设没有速度分布三维网格块解析细部的流体,而二维网格块也计算流动在二维浅水网格块内可以使用三维网格(linked
to
or
nested),但是反之不行紊流?紊流是指流体从一种稳定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种无序状态,具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位,流体各质点不规则地流Reynolds
Averaged
Navier-Stokes
(RANS)
models.Large
Eddy
Simulation
(LES)models.FLOW-3D
v10.1
Hydraulics
Training紊流流动及混合所需的参数(momentum,
temperature,
density,
contaminants,etc.)要比层流更有效影响到施压流体上的剪应力与拖曳力•模拟紊流模型–典型的方法什么时候应该打开紊流模型?FLOW-3D
v10.1
Hydraulics
Training把无量 偌数与临界值对比
(湍流的开始)不止一个雷偌数,不止一个湍流转变数值!常见的例子:h»
Internal
pipe
&duct
flow
(D =
hydraulic
diameter)»
Externalflat-plate
flow
(x=
distance
alongplate)»
External
flowaround
an
object
(Dob
=
object
width)湍流开始处雷偌数的数值是近似的Re
f
uavg
Dh,eff
2,300Dh
fRe
f
u
freestream
x
500,000x
fRe
f
u
freestream
Dob
20,000Dob
f滑移条件“friction
coefficient
”摩擦系数是定义流体在物件和壁面边界处是否滑移“Roughness”粗糙度设置是不同的,并在之后进行FREE-SLIP
(FRCOF
or
OFRCOF
=
0PARTIAL-SLIP
(FRCOF
orOFRCOF
>
0)NO-SLIP
(DEFAULT:
FRCOF
or
OFRCOF
=-1)FLOW-3D
v10.1
Hydraulics
Training湍流模型(优缺点)MODEL
OPTIONPROSCONSPrandtl
Mixing
LengthLowest
computational
cost.
Solves
for
turbulentviscosityas
a
function
of
shear.
A
slight
improvementon
one
ofthe
earliest
numericmodels.Requires
fully
developed,
nearly
steady,uniform
flow.
Advection,
diffusion,
and
thetime-rate
of
change
of
turbulent
energy
areneglected.One-equation(turbulent
energymodel)A
simplification
of
the
standard
two-equation
model.
Lowcost,
decent
for
relatively
uniform
flows.
Includesconvection
and
diffusion,
production
of
TKE
duetoshearing
and
buoyancy
effects,
diffusion,
and
dissipation.Better
accuracy
and
mu ore
robustthanthePrandtlmodel.Requires
the
user
to
specify
a
turbulentmixing
length
to
give
accurate
results
forturbulent
diffusion
(decay),
and
is
verysensitive
to
the
selected
mixing
lengthvalue.
Not
ideal
for
flows
aroundcomplexgeometry.Two-equation(κ-ε
standardmodel)Widely
used
forreal-world
problems,
and
givesreasonable
results
for
heat
transfer.
Coefficients
derivedempirically.
This
model
solves
transport
equations
forturbulentkinetic
energy
and
turbulent
dissipation
rate.Valid
only
for
fully
turbulent(smooth
torough)
flows,
not
great
for
high
strain
rates,swirling
flows,
or
curved
streamlines.
Doesnot
model
wall
heat
or
mass
transfer
well.Renormalized
Group(κ-ε
RNG
model)An
improved
k-e
model,
with
some
coefficientscalculateddynamically
and
the
rest
determined
through
statisticalysis.
Better
for
transitional
flows
and
all
the
othercons
of
the
standardk-e
model
except
swirling.Not
ideal
for
highly
swirled
flows
(cyclonesand
shear-stress-induced
secondary
flows).Otherwise,
usually
the
best
choice.Large
Eddy
Simulation(LES)Approaches
direct
numerical
simulation
(DNS)
by
directlyresolving
eddies
larger
than
the
computation
cell
scale.Applies
the
Smagorinsky
kinematic
viscosity
model
foreddies
smaller
than
a
cell(sub-grid
model).
Containsmore
information
than
other
models
(e.g.,
magnitudeandstd.
dev.
of
turbulent
fluctuations).Requires
very
fine
mesh.
Developed
foratmospheric
research:
not
originallyintended
for
wall-bounded
flows
(FLOW-3D
uses
log-law
approximation).Development
of
LES
models
continues.There
are
relatively
few
validations
for
real-world
problems.FLOW-3D
v10.1
Hydraulics
Training什么时候应该考虑表面粗糙度(Surface
Roughness
)?FLOW-3D
v10.1
Hydraulics
Training表面粗糙度对流动可能会产生或可能不产生影响湍流流动在壁面处可能是水力光滑的、完全粗糙的、过渡“过渡”含
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