基于cfd的风蚀风洞地表风速廓线模拟

基于cfd的风蚀风洞地表风速廓线模拟

0tfluen软件介绍作为一个相似的参数，风速梯度模型在模拟大气边界层的模拟中起着重要作用。而作为功能最为全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一,Fluent广泛应用于航空航天、汽车、船舶、气象等领域,但目前应用于风蚀风洞流场的数值模拟,特别是结合室内风洞试验对野外典型风蚀地表的风廓特性进行模拟的情况很少。为此,笔者利用Fluent软件对室内风洞试验进行数值模拟,以此作为在风洞中模拟典型风蚀地表风速廓线试验的基础。1建立个离散点上的变量值的集合并求解案用CFD软件实现数值模拟基本原理为:把物理量在时间和空间上连续的场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值。通过这种数值模拟,可以得到复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量的分布,以及这些物理量随时间的变化情况。2fluent的解决方案2.1模拟装置及网格划分本风洞试验所用风洞为内蒙古农业大学研制的0FDY-1.2型可移动式风蚀风洞,该风洞试验段长为7.2m,风洞截面的高度为1.2m,宽度为1m。选用的模拟装置为棒栅+尖塔+粗糙元,模拟对象是无植被保护的翻耕地地表的风速廓线。在Gambit软件中所建立的风洞模型,如图1所示。为了对棒栅、尖塔和粗糙元周围的网格进行加密,对整个计算区域采用Tet/Hybrid四面体网格单元进行有限体积划分。共划分5个子区域,总共1320080个网格,如图2所示。其中,A区为棒栅和尖塔所在区域;D区是粗糙元所在区域;B区为过渡区;为减少计算量,C区和E区设置为网格尺寸相对较大的区域。2.3fluent计算2.3.1求解器的选择Fluent提供了分离式和耦合式两种求解器。分离式求解器主要用于不可压流动和微可压流动,而耦合式求解器用于高速可压流动。本次试验选择分离式求解器进行计算。结合风洞试验的实际情况选择3D、稳态、绝对速度的计算模式。2.3.2确定粘度模型Fluent在默认情况下只对流场进行求解,因此只需对湍流计算所必须的粘性模型进行设置。本模拟选用目前较为成熟且应用最广泛的粘性模型—标准k-ε模型进行计算。2.3.3u3000回用reynolds边界条件设置情况:风洞入口为速度入口,出口为出流口,将风洞壁、棒栅、尖塔和粗糙元表面设置为壁面。1)雷诺数:Re=ud/v,u为流速,v为运动粘度,d为管径。2)湍流强度:I=0.16(ReDH)-1/8,ReDH为按水力直径DH计算得到的Reynolds数。3)湍流长度尺寸:l=0.07L,L为关联尺寸,对于充分发展的湍流,取L等于水力直径。4)湍动能:k=32(ˉuΙ)2‚ˉuk=32(u¯I)2‚u¯为平均速度。5)湍动耗散率:ε=C3/4μk3/2l‚Cμ取0.09。2.3.4设置求解过程的监视器参数将各个变量的残差收敛判据设为1e-3,当相应变量的残差在计算中达到1e-3时,均认为计算已经收敛。2.4残差曲线及残差曲线迭代进行到330步时计算收敛,停止计算,残差曲线如图3所示。计算完成后,利用软件在风洞模型距出口2.4m处轴线位置模拟出一条风速廓线,所模拟的风速廓线如图4所示。3风速廓线测试系统框图模拟装置采用棒栅、尖塔、粗糙元。其形状、尺寸和摆放位置与数值模拟的模型一致。尖塔底宽100mm,高700mm,间距300mm,距风洞入口300mm;粗糙元长宽高均为25mm,横向间距50mm,纵向间距300mm,第一排距入口1680mm,共摆放8排。所用风速廓线测试系统框图,如图5所示。图6示出了在风洞同一位置处由数值模拟,室内风洞试验中棒栅、尖塔、粗糙元装置模拟,以及野外实地测试的风速廓线。4变异系数的计算对3条廓线在同一高度下的3种风速的离散程度进行分析,则:标准差为σ=√Σ(X-—X)2Ν变异系数为根据上式得出在高度为50,100,200,398,795mm处的变异系数分别为7.14%,4.56%,1.98%,2.64%,2.81%,4.03%。结果表明,3条廓线吻合程度达到了风蚀研究的试验要求。5农田表层土壤风蚀的研究—结束语本文利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent,对室内风蚀风洞采用棒栅、尖塔和粗糙元模拟野外典型风蚀地表风廓特性试验进行数值模拟,达到了风蚀试验的要求,成功地解决了常规室内风洞风廓特性模拟调试周期长、试验困难的问题,为室内风蚀风洞模拟试验起到了指导性作用。作为土壤风蚀问题的基础性研究,也为土壤风蚀研究提供了技术支持。其对测试评价实施各种保护性耕作措施后的农田表层土壤抗风蚀能力、防沙治沙、保护环境等具有重要意义。虽然能量守恒方程是流体流动和传热问题的基本控制方