Fluent软件（精选8篇）
Fluent软件 篇1
0 引言
矿井通风系统中通风分支的连接形式有串联、并联和复杂联三种, 通风在串联和并联分支中风量大小可以变化, 但风流方向是固定不变的, 而在复杂联中角联分支具有流向不稳定的特性[1], 其风量的大小和风流方向随其两端连接分支的风阻和风量变化而变化, 在通风管理中难于控制, 因此加强对角联网路的研究是十分有必要的[2]。
图1为角联网路的示意图。设定巷道AC、CB、AD、CD、DB的风阻均分别为R1、R2、R3、R4、R5, 对应的风量分别为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5, 通过角联网路的总风量Q。
通过网络解算后, 我们需要知道各段巷道的风流方向及其大小以及总风阻等, 对于角联网路, 由于它的复杂性, 其总风阻不能用求串、并联网路总风阻的公式直接计算[3]。
若无中间的角联分支CD, 则为并联通风网络, 按风压平衡定律, 有以下方程成立:
按照通风阻力定律, 可得:
由风量平衡定律, 有下面三式成立:
由式 (2) — (5) 式可得:
R1、R2、R3、R4、R5已知, 再任意给定风量Q, 根据式 (6) 、 (7) 式很容易求出Q1、Q3, 然后可求得总风压HAB。再利用总风量Q、总风压HAB与总风阻R之间的关系, 求得总风阻R。
当增加了联络巷CD后, 便形成角联风路, 此时风量的解算变的复杂起来, 据文献[3], 设Q1=x, Q4=y, 可以得到以下方程组:
对于这个方程组的求解, 直接求解十分困难, 必须借助于计算机编程运算才能求出近似根, 在文献[3]中, 作者采用消去y、建立X的方程, 然后用牛顿迭代法求解的方法, 虽然得到了比较精确的解, 迭代速度也较快, 但是其中的消元整理过程极其复杂, 难以建立起准确的数学模型, 本文将采用拟牛顿法 (Broyden方法) , 借助MATLAB编程解算, 得到了比较精确的解, 同时省略了其中繁琐的方程整理过程[4]。
1 拟牛顿法 (Broyden方法) 及基于Matlab编程解算
1.1 拟牛顿法 (Broyden方法)
拟牛顿法是20世纪60年代以来发展起来的算法, 相对而言是比较新的一种方法, 它克服了牛顿法需要求导和求逆的缺点, 是目前实际使用非常有效的一种方法, 可以直接应用于工程实践[5]。
拟牛顿法中, 为了克服牛顿迭代法中每迭代一次, 都要计算当前一步Jacobi矩形阵的逆矩阵, 设法构造一个矩阵Hk, 逼近f’ (xk) 的逆矩阵, 这样迭代公式就为Xk+1=Xk-Hkf (xk) 。
选取不同的Hk就得到各种类型的拟牛顿方法, Broyden方法的基本迭代格式为:
其中, △Xk=Xk+1-Xk, yk=f (xk+1) -f (xk) 。
1.2 编程解算及结果分析
对于本例中角联通风算例, 先将方程组 (8) 、 (9) 整理成:
则, 方程组函数为F=[f1;f2]
选取合适的x、y初值, 运行拟牛顿法主函数, 可按要求得到计算结果及迭代次数。
对于非线性方程组, 也可以直接用fsolve命令来求解, 但其求解出来的结果不如拟牛顿法精确, 对于较复杂方程组, 可以将其做为Broyden方法中初值选取的依据, 可以更快实现收敛[6]。
在本例中, 给定角联网路风阻R1、R2、R3、R4、R5的5组数值, 且对每组风阻值分别给定2个总风量Q。在每一总风量Q条件下, 分别求出角联网路总风阻R, 通过巷道AC和CD的风量Q1和Q4, 同时以网孔A—C—B—D—A的压差C1来衡量结果的准确性, 计算结果如表1。
为了更好的进行对比, 了解角联分支对系统产生的影响, 同时解算出无CD分支系统的情况, 结果如表2。
对表中的数据进行分析可以得到:
(1) 对同一组的风阻值, 当Q变化时, 除了第一组计算出的风量误差稍大, 风阻存在一定误差外, 其余风阻都是不变的, 可见角联风路的总风阻是巷道的固有属性, 风量的改变不影响巷道的风阻。
这与理论上相符, 同时说明在进行角联网路风量解算时, 事先并不需要判定角联的流向, 可以先任意假定一个方向, 再根据解算调整。
(3) 比较表1、表2, 可以发现当角联巷道CD中没有风流通过时, 可以当作其不存在, 其风阻值的改变对系统的总风阻无影响, 而当有风流流过时, 角联分支的存在降低系统的总风阻, 但系统的总风阻会随角联分支风阻的增大而增大。
2 FLUENT数值模拟
本文基于FLUENT软件, 模拟 的情况, 因巷道风阻 摩擦阻力系数在较大巷道断面中主要是对边壁风流影响较大, 风阻的大小主要还是受巷道断面积, 湿周长以及长度的影响[7], 因此在物理建模时主要考虑通过改变巷道断面积与长度来体现风阻值的改变。
(1) 模型建立及网格划分
模型建立如图2所示。
AC巷道长为30m, 断面积2×3m2, CB巷道为10m长, 面积3×3m2, AD、DB都为20m长, 断面积分别为3×3 m2、2×3 m2, CD巷道面积为2×3 m2。
模型网格的划分如图3。
(2) 模拟过程
模拟以A端断面为风流入风口, 边界条件为v=2.8m/s, 方向为X轴正方向。出风口边界条件为质量出口边界, 壁面边界条件为所有壁面施加无滑动边界条件, 即wall, 求解方法应用有限差分法和交错网格离散控制微分方程。即用SIMPLE算法求解离散控制方程[8]。
经过大约270步迭代后, 结果达到收敛, 残差如图4所示。
(3) 模拟结果分析
图5为计算所得的巷道内Z=1.5m截面速度云图。可以看出, 风流由入口断面进入后, 分别流入两边巷道, 并且AD巷道风速大于AC巷道风速, 同时CD联络巷中也有风流通过, 由图6的同一截面局部速度矢量放大图可以较明显看出其风流运动情况, 在巷道风阻值比例如第一组数据的情况下, 巷道内风流还是比较稳定, 涡旋较少, CD巷道内风流对冲不是很明显, 能行成稳定的由D到C的风流, 风速大概在0.855-1.27m/s之间, 与前期网络解算结果吻合, 验证了建立模型和数值方法的可行性、正确性。
虽然从整体上来看巷道内能形成稳定的由D到C的风流, 但由图7可以看出, 在CD巷道断面内, 风速并不均匀, 风流分布比较复杂, 左侧风流较小, 大约为0.383-0.957m/s, 右侧风流较大, 在0.957-1.34m/s之间, 因此在现实中, 即便可以确定角联支路里有风流通过, 也应当注意巷道内是否存在通风死角, 以避免在那里安设工作面。另外, 在矿山通风实际工作中还有一种情况是值得考虑的, 那就是角联通风巷道的一侧分流中, 对角巷道前的巷道风阻与对角巷道后的巷道风阻之比与另一侧分流相应巷道风阻之比相差值不大的情况[9], 因此建立另一模型模拟这种情况下的风流情况, 其结构与前面模型一样, 只是通过改变巷道的断面与长度来改变风阻, 此模型中, AC为15m, CB为5m, AD、DB都为10m, 各巷道面积相同, 为3×3 m2。
由图8可以看到角联支路两端有风流流动, 但在巷道中间无风流, 并且从图9中看到在巷道端口出现明显的漩涡回流情况。因此在与相差不多时, 虽然理论上计算有风流流动, 但通常计算所得风速只是一个平均值, 风流分布情况并不确定, 当角联支路两端提供的压差不足以形成稳定风流时, 往往会出现中间断流的情况[10]。
4 结论
本文针对角联网络解算的复杂特殊性, 采用拟牛顿法 (Broyden算法) , 利用MATLAB进行编程解算, 利用此种算法进行编程解算避免了复杂的数学方程建立过程, 并且收敛快, 精度高, 通过对解算结果的对比, 分析了角联风路的存在对通风系统的影响, 得出角联分支的存在会降低系统的总风阻, 但系统的总风阻会随角联分支风阻的增大而增大的结论。
通过用FLUENT流体仿真软件对角联巷道进行模拟, 重点分析了角联分支巷道两端连接分支的风阻比值不等的情况, 通过截取不同的巷道断面, 分别得到速度云图以及矢量图等, 同时简单模拟了角联分支两端连接分支的风阻比值相等的情况与前者进行对比, 可以清楚的看到不同情况下巷道内风流的特性以及效果, 为角联通风的研究、矿山通风管理以及通风系统优化提供了一定的依据或参考。
参考文献
[1]安树峰, 等.角联分支的判断及其风流控制[J].煤炭工程, 2003, (11) :41-42 AN Shu-feng.etc.Judgment of diagonal branch and its flow control[J].Coal Engineering, 2003, (11) :41-42
[2]陈善乐, 等.角联分支对通风系统可靠性的影响[J].现代矿业, 2009, (2) :124-125 CHEN Shan-le.etc.Influence of diagonal branches on the reliability of ventilation system[J].Modern Mining, 2003, (11) :41-42
[3]杨明球.矿井角联通风网路总风阻的计算[J].中州煤炭, 2006, (4) :80-89 YANG Ming-qiu.Total resistance calculation of diagonal ventilation system[J].Zhongzhou Coal, 2006, (4) :80-89
[4]陈梅芳, 等.基于MATLAB的两种通风网络解算方法的编程及实现[J].矿业研究与开发, 2008, (2) :65-67 CHENG Mei-fang.etc.Programming and Implementation of Two Ventilation Network Solutions Based on MATLAB[J].Mining Research and Development, 2008, (2) :65-67
[5]宋叶志, 贾东永.MATLAB数值分析与应用[M].北京:机械工业出版社2009:184-189
[6]安恒斌, 等.关于多元非线性方程的Broyden方法[J].计算数学, 2004, (4) :385-400 AN Heng-bin.etc.Broyden method for nonlinear equation in several variables[J].Mathematica Numerica Sinica, 2004, (4) :385-400
[7]王佰顺.风道断面缩小、变形对矿井风阻的影响[J].煤矿安全, 2001, (1) :37-39 WANG Bai-shun.Influence of Duct sections shrinking and deformation on the air resistance[J].Safety in Coal mine, 2001, (1) :37-39
[8]于勇.Fluent入门与进阶教程[M].北京:北京理工大学出版社, 2008:236-243
[9]王英敏.矿井通风与除尘[M].北京:冶金工业出版社, 2007:127-130
[10]贾进章, 等.角联分支的存在对通风系统可靠性影响分析[J].矿业安全与环保, 2005, (6) :39-42 JIA Jin-zhang.etc.Influgence of diagonal branches on reliability of ventilation system[J].Mining Safety&En-vironmental Protection, 2005, (6) :39-42
Fluent软件 篇2
2.对于绝大多数问题，选择1st-Order Implicit就已经足够了。精度要求高时，选择2st-Order Implicit.而Explicit选项只对耦合显式求解器有效。
3.压力都是相对压力值，相对于参考压力而言。对于不可压流动，若边界条件中不包含有压力边界条件时，用户应设置一个参考压力位置。计算时，fluent强制这一点的相对压力值为0.4.选择什么样的求解器后，再选择什么样的计算模型，即通知fluent是否考虑传热，流动是无粘、层流还是湍流，是否多相流，是否包含相变等。默认情况，fluent只进行流场求解，不求解能量方程。
5.多相流模型：其中vof模型通过单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟两种或三种不能混合的流体。
6.能量方程：选中表示计算过程中要考虑热交换。对于一般流动，如水利工程及水力机械流场分析，可不考虑传热；气流模拟时，往往要考虑。默认状态下，fluent在能量方程中忽略粘性生成热，而耦合式求解器包含有粘性生成热。
7.粘性模型：inviscid无粘计算；Laminar模型，层流模型；k-epsilon（2 eqn）模型，目前常用模型。
8.材料定义：比较简单 9.边界条件：见P210-211 10.给定湍流参数：在计算区域的进口、出口及远场边界，需给定输运的湍流参数。Turbulence specification Method项目，意为让用户指定使用哪种模型来输入湍流参数。用户可任选其一，然后按公式计算选定的湍流参数，并作为输入。湍流强度，湍动能k，湍动耗散率e。11.常用的边界条件： 压力进口：适用于可压和不可压流动，用于进口的压力一直但流量或速度未知的情况。Fluent中各种压力都是相对压力值。
速度入口：用于不可压流，如果用于可压流可能导致非物理结果。质量进口：规定进口的质量。
压力出口：需要在出口边界处设置静压。静压只用于亚音速流动。在fluent求解时，当压力出口边界上流动反向时，就是用这组回流条件。出口回流有三种方式：垂直与边界，给定方向矢量，来自相邻单元。出流：用于模拟求解前流速和压力未知的出口边界。适用于出流面上的流动情况由区域内外推得到，且对上游没影响。不用于可压流动，也不能与压力进口边界条件一起是用。压力远场：只适用于可压气体流动，气体的密度通过理想气体定律来计算。
12.设置求解控制参数：为了更好的控制求解过程，需要在求解器中进行某些设置，内容包括选择离散格式、设置欠松弛因子、初始化场变量及激活监视变量等。
Fluent允许用户对流项选择不同的离散格式。默认情况下，当是用分离式求解器时，所有方程中的对流相一阶迎风格式离散；耦合式求解时，二阶精度格式，其他仍一阶。对于2D三角形和3D四面体网格，注意要是用二阶精度格式。一般，一阶容易收敛，精度差。
欠松弛因子：为了加速收敛，在迭代10次左右后，检查残差是增加还是减小，若增大，则减小欠松弛因子的值；反之，增大它。
Pressure-velocity coupling：包含压力速度耦合方式的列表。该项只在分离式求解器中出现。可选SIMPLE、SIMPLEC、PISO。多数选择simplec，piso算法主要用于瞬态问题的模拟，特别是希望使用大的时间步长的情况。
Courant Number；设置网格的Courant数，用于控制耦合求解时的时间步长。对于耦合显示求解器，该数值不要过大，一般<2。隐式求解器，可取较大值，一般取5，有时20，甚至100，也可收敛。
13.设置监视参数，一般残差监视。
Fluent软件 篇3
关键词：流体动力学,外流场,数值模拟,FLUENT
当今社会, 计算机技术水平亦飞速发展, 计算流体动力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 已在汽车领域得到肯定且得到了大范围的应用, 尤其是汽车设计当中。人们对汽车的性能以及个人需求都提出了具有针对性的高要求, 展现出了研究流体动力学仿真的重要性[1]。
理论分析、实验研究和数值计算是研究汽车空气动力学的重要方法。
目前, 几乎所有的流动现象都可以用流体动力学仿真分析。在新车型的空气动力学设计周期上, 可以采用CAD技术与流体动力学仿真的结合, 来大大缩短其周期。由于在FLUENT软件中可以根据实际需要设置条件, 并且能够在计算区域的任意位置得到准确信息, 根据这些信息就可以对其性能 (空气动力性) 进行评价, 准确、快速有效[2,3,4]。所以, 本文采用流体动力学仿真软件FLUENT对汽车外部流场进行数值模拟。
1 小汽车外流场的三维数值仿真
(1) 基本的控制方程。等温不可压缩的三维湍流模式为汽车绕流计算模型。
(2) 实体建模。采用Solid Works软件进行建模。对汽车实体表面进行处理, 减少车灯等车身周围凸出的相对较小的结构件, 同时把小汽车下部变平。这些简化与微小处理对计算区域的整体特性无大的影响, 而且缩短了计算时间。最后将建立的三维CAD模型导入FLUENT软件中进行网格划分。
1) 确定计算区域与网格划分。计算区域采用规则的长方体。本文采用长方体计算区域有利于控制网格的生成。从国内外相关文献以及仿真模拟实验中可以看出, 对于流场仿真计算, 当计算区域达到某一定值时 (不需无限大) , 小汽车表面的流场不会继续受计算区域大小的限制[4]。因此, 在计算域的选取上, 本文分别在汽车前部选择4.5倍的车长, 在汽车后部选择7倍的车长, 在侧面选择3.5倍的车宽, 在上部选择5倍的车高。
计算区域的网格是在流体动力学仿真计算中十分重要的一部分。对求解与计算的准确度与速度有很大影响。为便于计算, 在汽车流场的非计算敏感区的网格较稀疏, 所以, 要从实际要求进行合理设置。在满足计算准确度的条件下, 又要让网格数目较少, 计算时长降低。
2) 边界条件的确定。设置小汽车外部流场的数值模拟的边界条件为:入口、出口、壁面三个条件。
计算区域的条件:常温空气为介质。
计算模型选用:κ-ε湍流模型。
入口:气体流动速度u = 32m /s, 即汽车相对外部气流的流动速度。
出口:无相对压强。
壁面:将地面边界条件设置为自由边界, 将汽车表面设置为无滑移。
2 小汽车外流场数值仿真的结果与分析
FLUENT软件的后处理模块, 使小汽车外部流场计算结果更加清晰明显。从图1 可以看出:在整个小汽车受力中, 其头部最大。其原因是:来流与车头部分相遇时, 使气流受到汽车头部阻挡, 速度大大降低, 所以在车头形成正压区。气流与汽车的头部相遇后, 气流分别绕小汽车的上表面与下表面, 而对于流向小汽车上方的气流, 在其经过车头部分大曲率的上缘角时, 不能及时回转, 部分气流就开始分离扩散, 由于此时气流速度较大, 在这个地方就形成了负压峰值。
汽车上方气流绕过汽车棚顶的后部, 由于汽车外形曲率较大所以产生逆压梯度, 这些气流流经后窗时快速分离, 该气流流经汽车后窗时快速地分离, 最终在小汽车的后部产生两个大涡流。
增大了汽车后部压力损失, 导致其前后存在的压力差变大, 对于汽车行驶受到的阻碍也变大, 影响汽车的操纵性能。因此, 将小汽车的外形进行改良来减小汽车的行驶阻力, 以提高汽车整体性能。
3 结语
CAD软件和FLUENT软件是在小汽车外部流场建模和仿真模拟中的重要方法, 是对新一代汽车的研发经济且有效的方法。从仿真分析与计算中, 了解了空气动力学的特性, 进而减少风洞实验, 节约经济成本, 并能缩短新一代汽车开发与生产周期。然而, 如果采用空气动力学仿真分析软件对汽车的外部流场特性进行较准确的模拟, 除了提高计算机的计算能力以及先进的计算方法外, 还需要在仿真计算中对所设置的相应的条件以及相关参数进行正确、合理的选择处理。所以运用这类软件解决小汽车空气动力学的实际问题, 需要风洞试验和流体动力学仿真共同结合, 检验与完善理论观点并能更全方位且有效地进行综合仿真实验。
参考文献
[1]杜广生.汽车空气动力学[M].北京:中国标准出版社, 1999.
[2]谷正气.汽车空气动力学[M].北京:人民交通出版社, 2005.
[3]傅立敏.汽车空气动力学数值计算[M].北京:北京理工大学出版社, 2001.
Fluent软件 篇4
目前, 关于桥梁颤振的研究的主要内容是通过强迫振动法或自由振动法, 识别桥梁的颤振导数。作为自由振动法中的分离状态法[1]在识别交叉颤振导数的过程中, 桥梁断面必须同时发生竖弯振动和扭转振动, 并且要求竖弯振动和扭转振动的振动频率必须相同[2]。这个要求在风洞实验室中是很难实现的。在采用Fluent软件进行数值模拟识别交叉颤振导数的过程中, 在考虑非定常空气力条件下, 使桥梁断面发生竖弯振动, 同时强迫桥梁断面发生与竖向弯曲振动具有相同振动频率、阻尼比的强迫扭转振动, 在此基础上识别气动升力的交叉颤振导数;同理, 在考虑非定常空气力条件下, 使桥梁断面发生扭转振动, 同时强迫桥梁断面发生与扭转振动具有相同振动频率、阻尼比的竖向弯曲振动, 在此基础上识别气动扭矩的交叉颤振导数;从而, 有效解决了在风洞实验室中采用分离状态法识别交叉颤振导数难题。
1 基本原理[3]
气动自激力以Husotn解析表达式表达, 则竖弯和扭转的振动方程可以写成:
式中, m为分布质量 (kg/m) ;I为分布质量惯性矩 (kgm2/m) ;ωh、ωα分别为结构竖向振动和扭转振动的固有圆频率 (rad/s) ;ξh、ξα分别为竖向振动和扭转振动结构阻尼比;ρ为空气密度 (kg/m3) ;U为均匀来流风速 (m/s) ;B为桥宽度 (m) ;H*i, A*i (i=1, 2, 3, 4) 称为气动导数, 即无量纲颤振导数。
将式 (1) 、 (2) 右侧进行简化, 可以写成下式:
式中, Hi、Ai (i=1, 2, 3, 4) 是有量纲的颤振导数。设振动方程的解为:
式中, λ为阻尼系数;ω为振动圆频率。将式 (3) 及其导数和式 (4) 及其导数代入式 (1) 和式 (2) 中, 由两式sin (ωt) 和cos (ωt) 的系数都为零, 可以得到:
将振动状态分成纯竖弯振动、纯扭转状态、弯扭耦合状态3种情况, 根据式 (7) ～ (10) 可以得到有量纲的颤振导数, 分别比较式 (1) 、 (2) 和式 (3) 、 (4) , 则无量纲颤振导数分别为:
2 流固耦合的实现
采用自由振动法中分离状态法识别颤振导数, 需要考虑流固耦合作用, 在数值模拟过程中是C语言编制的UDF程序实现的。即在Fluent所提供的宏DEFINE_CG_MOTION中嵌入纽曼克方程[4], 通过纽曼克方程计算出各时刻的速度, 并将速度值分别赋值给宏DEFINE_CG_MOTION[5]中控制平动速度和转动速度的参数vel和omega来实现流固耦合。计算中所需的各个时刻的气动力由宏Compute_Force_And_Moment[6]进行提取。但是宏Compute_Force_And_Moment (domain, tf1, xCG, f_body, m_body, TRUE) 中参数f_body[1]和m_body[2]计算截面所受到的升力与升力矩均为定常力和非定常力之和[7], 而作为激发颤振的气动力是由非定常力引起的。同时, 在实现流固耦合计算的纽曼克方程中需要非定常力来计算初始时刻的加速度, 为了解决这个问题, 采用以下的方法:
1) 为了能够得到模型在各级风速下的定常力, 在不考虑流固耦合的前提下, 先使模型断面做强迫振动, 在各级风速下, 强迫振动模型断面所受到的气动力平均值即为模型在相应风速所受到的定常力。
2) 宏Compute_Force_And_Moment中所提取的升力和升力矩分别减去通过强迫振动得到的定常升力和升力矩, 就可以得到非定常的升力和升力矩;然后代入到纽曼克方程中, 进行流固耦合计算, 模型进行流固耦合计算的初始速度和初始位移由强迫振动段进行赋值。
3 数值模拟计算
3.1 研究对象
以薄平板为对象, 采用分离状态法识别薄平板的颤振导数, 其中, 平板宽度为0.45m, 宽厚比1000/1, 单位长度质量和质量惯性矩分别为11.94kg和0.532kgm2/m, 竖弯和扭转基频分别为1.488Hz和2.996Hz, 竖弯和扭转阻尼比分别为0.007和0.002。
3.2 流场绘制及边界条件设置
采用GAMBIT软件绘制流场区域和边界条件的设置。流场区域的网格采用适应性较好的三角形网格, 平板的流场入口采用VELOCITY_INLET类型的入口, 流场的出口采用OUTFLOW类型的出口, 流场的上下边界采用SYMMETRY类型的边界, 平板截面采用WALL类型的边界。
3.3 计算结果
在采用FLUENT软件进行颤振导数数值模拟计算过程中, 基于压力求解, 选用非定常求解器、k-ε模型、SIMPLE算法[5]进行计算。根据采集的纯竖弯状态、纯扭转状态和弯扭耦合状态的加速度、速度、位移数据, 采用IDT法[8]编制的MATLAB程序, 识别振动系统的刚度和阻尼, 由刚度和阻尼计算各个振动状态的振动模态参数;然后根据分离状态法识别颤振导数与振动模态参数的关系表达式, 识别出各个颤振导数。采用自由振动的分离状态法和强迫振动法识别出平板在各级风速下的颤振导数以及平板的理论解的值, 并绘制颤振导数关于无量风速的变化曲线, 如图1所示。
4 分析
1) 自由振动的分离状态法和强迫振动法识别的薄平板颤振导数、与薄平板理论解吻合的很好, 采用自由振动的分离状态法识别的薄平板颤振导数、的精度不低于强迫振动法。
2) 自由振动的分离状态法和强迫振动法识别的薄平板颤振导数、与薄平板理论解有偏差, 其中, 采用自由振动的分离状态法识别的薄平板颤振导数大于薄平板理论解, 强迫振动法识别的薄平板颤振导数小于薄平板理论解;自由振动的分离状态法和强迫振动法识别的薄平板颤振导数都小于薄平板理论解, 自由振动的分离状态法识别的薄平板颤振导数更接近薄平板理论解。
3) 自由振动的分离状态法和强迫振动法识别的薄平板颤振导数、与薄平板理论解吻合的也较好, 采用自由振动的分离状态法识别的薄平板颤振导数比强迫振动法更接近薄平板理论解, 强迫振动法识别的比自由振动的分离状态法更接近薄平板理论解。
4) 强迫振动法识别的薄平板颤振导数与薄平板理论解吻合的很好, 自由振动的分离状态法识别的薄平板颤振导数比薄平板理论解小;自由振动的分离状态法和强迫振动法识别的薄平板颤振导数都与薄平板理论解有偏差, 其中自由振动的分离状态法识别的薄平板颤振导数与薄平板理论解的偏差较大。
5 结论
在数值模拟过程中, 通过施加强迫振动, 实现了分离状态法在识别交叉颤振导数时对竖弯振动和扭转振动的振动频率、阻尼比分别相同的要求, 为实验室采用分离状态法识别颤振导数提供了理论基础。分离状态法与强迫振动法相比, 识别颤振导数的精度总体不低强迫振动法。
摘要：通过在Fluent软件所提供的宏中嵌入纽曼克方程, 对网格进行驱动, 来实现流固耦合。采用自由振动法中的分离状态法识别颤振导数, 识别颤振导数所需模态参数, 根据IDT时域法编制MATLAB程序进行识别。以薄平板为研究对象, 采用分离状态法对薄平板的颤振导数进行识别, 并将分离状态法识别的颤振导数与强迫振动识别的颤振导数和理想平板的Theodorson颤振导数理论解进行对比。经比较表明, 分离状态法和强迫振动法识别颤振导数、理想平板颤振导数理论解的差别性较小, 从而验证了分离状态法识别颤振导数的准确性和可行性。
关键词：流固耦合,分离状态法,IDT时域法,颤振导数
参考文献
[1]Scanlan R.H, Tomko J.J.Airfoil and bridge deck flutterderivatives.Journal of Engineering Me-chanics[J], ASCE, 1971, 97 (6) :1171-1737.
[2]陈政清.桥梁风工程[M].北京:人民交通出版社, 2005.
[3]李超.桥梁断面气动导数自由耦合振动识别方法研究[D].上海:同济大学, 2006.
[4]张相庭.结构动力学[M].同济大学出版社, 2005.
[5]江帆, 黄鹏.Fluent高级应用与实例分析[M].北京:清华大学出版社, 2008.
[6]张凯, 王瑞金, 王刚.Fluent技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社, 2010.
[7]崔益华.机翼节段颤振导数的强迫振动仿真识别及其应用[D].南京航空航天大学, 2005.
Fluent软件 篇5
1 FLUENT软件的简介
F L U E N T是目前国际上比较流行的商用CFD软件包, 用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术, 因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型, 以及强大的前后处理功能, 使FLUENT在转折与湍流、化学反应与燃烧、选择机械、材料加工等方面有着广泛应用。
FLUENT软件有以下主要特点。
(1) FLUENT软件包含十分丰富而且先进的物理模型, 使得用户能够精确的模拟各种流动, 如非定常和定常流动、层流 (包括各种非牛顿流模型) 、可压缩和不可压缩流动、传热和传质、颗粒运动等。其中湍流模型包含k-ε模型组、大涡模拟模型 (LES) 组、k-ω模型组、雷诺应力模型 (RSM) 组等。另外用户还可以制定或添加自己的湍流模型。
(2) FLUENT软件具有先进的数值解法, 其中包含三种算法:耦合隐式算法、耦合显式算法、非耦合隐式算法, 是商用软件中最多的, 从而使FLUENT软件适用于跨声速流动、低速不可压流动、压缩性强的超声速和高超声速流动。
(3) FLUENT软件具有十分强大的网格支持能力。支持界面不连续的网格、混合网格等。并且FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法。其最大的特点是, FLUENT软件拥有网格动态自适应技术和多种基于解的网格自适应技术, 对于捕捉非常复杂的物理现象非常有利。
从以上介绍中可以看出, FLUENT软件可用于求解在复杂物理结构下的热传输和流体运动问题。基于FLUENT软件的思想, 针对各种复杂流动的物理现象, 采用数值解法, 以期在计算速度。精度。稳定性等方面达到优化组合, 从而十分有效地解决各个领域的复杂流动计算问题, 模拟流动和化学反应等物理现象。
2 FLUENT软件在各类液-液混合器中的研究应用前景
2.1 FLUENT软件的静态液-液混合器研究进展
静态液-液混合器的混合过程是靠固定在管内的混合元件进行的, 由于混合元件的作用, 使流体时而左旋时而右旋, 不断改变流动方向, 不仅将中心液流推向周边, 而且将周边流体推向中心, 从而造成良好的径向混合效果。与此同进, 流体自身的旋转作用在相邻元件连接处的界面上亦会发生。这种完善的径向环流混合作用, 使流体在管子截面上的温度梯度、速度梯度和质量梯度明显减少。
目前, 对于静态液-液混合器的研究一般都是停留在实验和经验的基础上, 但随着计算流体力学的发展, FLUENT软件的数值模拟优越性越来越突出, 使得静态液-液混合器的数值模拟液日渐成熟。
近来有许多研究者不断提出新型的静态液-液混合器结构设计, 但由于其复杂的内部结构, 对静态液-液混合器内部的流体之间的传质过程和流场分布情况等混合机理方面的研究相对较少。如刘春江等通过立交盘静态液-液混合器的流体力学性能, 并利用F L U E N T软件的模拟得到了流体流经2个混合元件的压降情况及流场变化。叶旭东等针对聚酯在SK型静态液-液混合器的流动用了FLUENT软件进行了分析, 同时对于非牛顿流体聚酯的温度-黏度特性采用了FLUENT软件的Carreau模型描述, 得到了液-液混合器的出口混合温度和压力降。赵建华等借助PIV技术测量了静态液-液混合器出口处的流场分布, 并且和计算流体力学计算结果进行了比较。
计算流体力学的迅速发展给研究复杂内部结构的静态液-液混合器提供了可能。Heniche M等通过数值模拟对SMX型和KMX型静态液-液混合器的混合效果进行了比较;W.F.C.van Wageningen等利用FULUENT软件计算了Kenics型静态液-液混合器内的流场分布情况, 还与LDA的测量结果进行了比较, 其结果是用FLUENT软件是研究静态液-液混合器的有效方法;Rahmani等对Helical型静态液-液混合器进行了数值模拟。
2.2 基于FLUENT软件的射流喷射液-液混合器研究
射流喷射液-液混合器的工作原理是从射流喷射液-液混合器的喷嘴喷出的液流以高速度在其锥形入口形成低压, 从而从罐中吸附并带动一股液流, 是其加速, 在液-液混合器内高度涡旋, 产生了一个内部混合的混合液。在射流喷射液-液混合器出口处, 这种混合速度部分装换成压力, 使得从射流喷射液-液混合器喷出的混合液成圆锥状扩散, 并将其周围的液体带动起来, 以达到充分液-液混合的目的。
由于射流喷射液-液混合器的结构不是非常复杂, 上个世纪70年代就有人开始对射流喷射液-液混合过程进行研究。但是受到当时研究技术的限制, 只进行了一些定性的经验规律研究。
随着计算流体力学逐渐成为了研究液-液混合过程的重要技术手段。如Liguang Wang等在不同的微观混合模型, 利用FLUENT软件对射流液-液混合器内的纳米颗粒生长过程进行了模拟。H.Hartmann等通过FLUENT软件预测了错流射流液-液混合过程中, 竞争反应产物的选择性、收率。
综述所述, 随着计算机技术的迅速发展, 计算流体力学技术作为重要的辅助手段。可以从理论上对射流液-液混合过程进行预测, 使得理论和实验得到了相互验证, 推动了射流液-液混合器的发展, 为其优化和设计提供了理论数据。
2.3 计算流体力学技术在撞击流液-液混合数值模拟中应用
撞击流液-液混合器是指两股或多股流体相向流体并撞击, 从而达到了一个高度的湍流区域, 并实现了能量的快速耗散, 从而使得流体之间的离析程度迅速降低, 已达到液-液混合的目的。利用文丘里管的形式设计了一个撞击流液-液混合器。
由于撞击流液-液混合器的结构十分复杂, 目前有许多研究都是针对两股液流在混合室内的撞击液-液混合过程, 对其他形式的撞击流液-液混合过程研究还不深入。
随着计算流体力学的发展, 数值模拟已经成为了流体力学研究的重要手段, 利用FLUENT软件可以实现在实验室中难以正确描述、测定的流场规律, 实验研究结合这种可视化结合, 就可以解决实践中的压力场、速度场及浓度场分布的难题, 为已有撞击流液-液混合器性能、结构的优化及新型产品的研究开发提供指导性参数。
3 液-液混合器研究展望
综述所述, 随着理论方法、实验手段和FLUENT软件的不断发展, 人们对于液-液混合器及其混合过程已经有了较为深入的研究。FLUENT软件作为一个重要的模拟手段, 在液-液混合器中的应用必将成为当前乃至今后相对长一段时间内化学工程领域的研究重点。
人们对液-液混合器的设计已经由过去的经验式设计上升到理论指导式设计。利用FLUENT软件模拟提供实验基础, 该软件可以实现在实验室中难以描述的流场规律和正确测定;可以解决实践中的压力场、速度场及浓度场分布不均的难题, 为已有液-液混合器的性能、结构的优化及新产品的研发提供技术指导性参数。实验和理论相互验证, 不断开发液-液混合器设备和对液-液混合过程的研究。
由于液-液混合过程具有不确定性和复杂性以及计算机的硬件条件和FLUENT软件目前的功能等众多因素, 在进行液-液混合器内部流场的模拟时, 所模拟的液-液混合过程时与理论上肯定会存在一定得误差, 以至于很难以再现实际的液-液混合过程, 在这方面还有待进一步的深入研究探讨。
参考文献
[1]刘春江, 陆寒冰, 刘辉, 等.静态混合器流体力学性能的CFD模拟[J].天津大学学报, 2007, 40 (6) :677-682
[2]叶旭东, 王小芳, 毕龙.基于FLUENT的SK型静态混合器的数值模拟[J].现代制造工程, 2006 (3) :74-75
[3]赵建华, 李彦强, 黄次浩等.静态混合器流场的数值模拟及PIV实验研究[J].石油矿产机械, 2004, 33 (S) :51-53
[4]Heniche M, Tanguy PA, Reeder MF, et al.Numerical investigation of blade shape in static mixing[J].AIChE J, 2005, 51:44-58
Fluent软件 篇6
近年来, 随着制造业的迅猛发展, 深孔加工技术加工效率及精度的提高成为制约整个制造装配技术的发展瓶颈。排屑不畅是影响深孔加工技术发展的主要问题之一, 特别是在高速加工小深孔时, 极易发生堵屑现象, 造成废品率较高[1,2]。如何保证深孔加工排屑顺畅, 成为各大科研院所及院校关注的热点。
目前, 解决排屑困难的常规途径有三种:拓展排屑空间, 控制切屑形态和增强排屑动力。负压抽屑技术就是采用第三种排屑途径的一种方式。它增加其抽吸力, 实现主动排屑[3]。
1 负压抽屑工作原理
如图1所示, 高压切削液经节流阀分为两支液流:前一支液流经排屑通道流向切削刃, 推切屑进入出屑口;后一支液流穿过负压通道, 形成环形射流, 产生负压抽吸效应, 从而增加钻杆内部前后压力差, 即通过产生的负压来增强系统的排屑动力[4]。实践证明, 它在排屑过程中起到了一定的作用。
2 负压抽屑装置数学模型
图2为负压抽屑汇流模型, 沿程流动过程中存在流体汇流的情况:截面1-1为排屑通道, 通道直径为D1, 流经其流量为Q1, 流速为v1;截面2-2为负压通道, 射流间隙为δ, 流经其流量为Q2, 流速为v2;截面0—0为汇流后的总通道, 通道直径为D2, 流经其流量为Q0, 流速为v0[5,6,7]。
如图2所示, 对于支流与总流, 根据质量守恒定律, 有
沿流动方向分别写出过流截面1-1与0-0、2-2与0-0之间总流的伯努利方程:
式中:z1为截面1-1处的切削液位能 (cm) ;z2为截面2-2处切削液位能 (cm) ;z0为截面0-0处切削液位能 (cm) ;p1为截面1-1处的平均压力 (kgf/cm2) ;p2为截面2-2处的平均压力 (kgf/cm2) ;p0为截面0-0处的平均压力 (kgf/cm2) ;α1为截面1-1处动能修正系数;α2为截面2-2处动能修正系数;α0为截面0-0处动能修正系数;ρ为切削液密度 (kg/m3) ;g为重力加速度 (N/kg) 。将式 (2) 的两个方程分别乘以Q1与Q2后, 再将两式相加, 然后再利用式 (1) 合并, 可得:
式中, A0、A1、A2为各通道的横截面积。所以, 负压抽屑各参数必须满足关系式 (3) 及式 (4) 。
图2中, 单位时间内从截面1-1 (排屑通道) 处与从截面2-2 (负压通道) 处流出的切削液相汇合, 在轴向 (x轴) 方向动量守恒, 得:
假设Q1/Q2=β, 则式 (5) 可简化为
可知, ΔP吸即为负压值。将式 (5) 、式 (6) 、式 (7) 、式 (8) 代入式 (9) , 并简化得:
式中, θ为射流喷嘴的喷射角。
以上所建数学模型的假设条件为:①排屑通道与负压通道中切削液的温度相同;②切削液无粘性作用;③切削液无杂质且不可压缩;④排屑通道与负压通道中的切削液均为二维无旋流动。
3 负压抽屑装置仿真分析
(1) 建立模型。为了分析比较负压通道中流量变化对负压的影响, 将图2所示的其他参数均设置成定值, 所以令D1=17mm, δ=0.45mm, θ=30°, D2=D1+2δcosθ。
利用前处理器GAMBIT软件进行建模、划分网格并设置边界条件。设置入口边界条件为速度入口边界 (VELOCITY_INLET) , 出口边界为自然流出 (OUTFLOW) , 其他边界均为壁面边界 (WALL) , 最后将文件保存成.msh格式。所建流场的二维仿真模型及其局部放大图如图3所示。
(2) 求解器的设置。将GAMBIT生成的.msh网格文件导入FLUENT中, 首先检查网格质量, 如果没问题, 便可对模型进行仿真。
所设流体材料为硫化切削液 (Sulfur-Liquid) , 其密度为2000kg/m3, 粘度为1.72×10-5kg/m·s;在边界条件的设置中, 令排屑通道流量为92L/min, 分析负压通道中流量为46L/min, 即排屑通道进油口速度为6.76m/s, 射流口速度为31.9m/s;收敛准则选择差分方程表示的连续方程两边的计算差值小于0.0001为准。
(3) 仿真结果。经仿真运算, 总压力云图、速度云图及负压区径向截面全压力XY散点图分别如图4 (a) 、 (b) 所示。
4 无负压抽屑装置的仿真分析
(1) 建立模型。建立无负压抽屑装置的三维模型, 即仅有排屑通道, D1=17mm。设流体材料为硫化切削液 (Sulfur-Liquid) , 其密度为2000kg/m3, 粘度为1.72×10-5kg/m·s;在边界条件的设置中, 令排屑通道流量为92L/min, 收敛准则选择差分方程表示的连续方程两边的计算差值小于0.0001为准。
(2) 仿真结果。经过仿真运算, 总压力云图如图5所示。
5 结论
对比图4、图5可知, 无负压抽屑装置中, 切屑只受到来自通道入口的推力, 压强为4.6×104Pa, 而负压抽屑装置能产生一个负压。当负压通道中流量为46L/min时, 所产生的负压值为1.5×105Pa, 是推力的3倍。负压所形成的抽吸力直接作用于切屑上, 加上来自通道入口的推力, 使得切屑随切削液加速排出, 更有利于排屑顺畅。
参考文献
[1]赵丽琴, 王彪, 杨琼瑶.深孔加工负压抽屑装置的优化设计与仿真[J].中北大学学报:自然科学版, 2012, (3) :266-270.
[2]庞俊忠, 潘杰, 常豆豆.深孔机床DF系统的数学建模与效率分析[J].制造技术与机床, 2014, (10) :89-93.
[3]王世清, 朱林, 刘站锋, 彭海.深孔加工技术[M].西安:西北工业大学出版社, 2003:1-239.
[4]王竣.现代深孔加工技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2005:1-433.
[5]李文亮.深孔加工DF系统排屑机理研究及建模与仿真[D].太原:中北大学, 2009.
[6]王宝.DF深孔钻负压排屑系统的仿真分析及试验研究[D].西安:西安理工大学, 2011.
[7]Barani A, Amini S, Paktinat H.Built-up Edge Investigation in Vibration Drilling of Al2024-T6[J].Ultrasonics, 2014, (5) :1300-1310.
Fluent软件 篇7
1 模型建立
本文针对自走式3wz-700型果园风送仿形定向喷雾机风送系统采用的轴流风机进行模拟研究。模拟环境是室内。模拟区域距离风扇中心400cm, 距离地面高度取300cm, 实际风机直径是70cm, 风机中心距离地面103cm, 导流板长度为15cm。
1.1 区域模型建立及网格划分
首先, 在FLUENT自行研发的前处理器GAMBIT软件, 创建求解模型的几何结构, 并对几何结构进行网格划分。考虑到喷雾机的风扇结构和喷雾装置均是成中心对称分布的, 本文只对半侧的区域进行模拟。在绘制好几何模型后, 采用二维非结构化网格即三角网格, 它可以方便地生成复杂外形的网格, 能够通过流场中的大提督区域自适应来提高间断 (如激波) 的分辨率[2], 对其划分, 边长取3cm。
1.2 利用FLUENT求解器求解
FLUENT默认使用基于压力的求解器, 选择湍流模型为标准k-ε双方程模型。选择计算模型的时间特征为稳态模型。启动能量方程, 定义材料为空气, 设置为理想气体, 默认操作环境的大气压为标准大气压, 温度默认为300K, 由于材料是空气, 忽略重力加速度作用。设置边界条件, 速度入口的速度大小为由风速仪测量风机转速在1200r/min下出口风速的平均值, 即16.41m/s。地面和导流板设置为无滑移的墙壁。
2 结果分析
通过软件的求解, 得到风机出口风速在16.41m/s (转速为1200r/min) , 导流板长为15cm, 倾斜角度为30。的情况下, 风机出口风速分布的速度矢量图。
从图1中可以看出, 导流板明显影响了气流场分布, 特别是下方区域的气流速度沿导流板方向最大, 而向两边逐渐减少。由于导流板的作用, 水平方向的求流速度有所改变, 增加竖直方向的气流速度。可见。导流板的存在, 可以改善喷雾作业的药液分布均匀性和雾滴覆盖率, 使得药液雾滴被输送到果树官层顶部, 减少地面沉降量。改变导流板的角度和长度, 继续分析导流板对气流场影响的变化。
1) 保持导流板的长度不变, 改变导流板角度。通过导流板在20゜、30゜、45゜的情况下, 风速分布的比较, 分析可得:风机出风口风速的变化受导流板角度变化的影响较大。导流板的倾斜角度越大, 沿导流板方向的风速就越大, 导流板周围速度较大的气流就越集中。但是, 导流板角度越小, 风机气流的射程就越远。
2) 保持导流板的角度不变, 改变导流板长度。将导流板的长度分别修改为20cm、10cm, 保持其他模型参数不变, 重新建立模型。将模型导入FLUENT求解器后, 求解参数仍然保持不变, 得到风机出风口风速分布的矢量图进行对比分析, 结果如下:导流板长度为20cm的矢量图中, 沿导流板方向中高速的区域明显比10cm、15cm的窄, 且高速带下落处的角度呈现折角最明显, 长度为10cm的矢量图中高速带下落处的角度呈现带圆弧的弯角最明显。
通过导流板板长在10cm、15cm、20cm的情况下风速分布的比较, 分析可得:风机出风口风速的变化受导流板长度变化的影响较大。导流板的板长越长, 沿导流板方向的气流收到的缓冲越多, 沿导流板直线方向走得越久, 风速下落得越慢, 但是对于风机气流的射程影响不是很明显。
3 结论
通过FLUENT的分析, 可见导流板对风机出风口风速的分布着实影响很大。1) 导流板与水平方向的夹角越大, 沿导流板方向上方的气流速度就越大, 但是在水平方向气流速度的衰减就越快。可见, 当在果园喷雾作业中, 果树较高, 冠层顶部较密, 雾滴较难穿透的时候, 可以增大导流板的角度, 并非都需要增大风机的转速。2) 导流板的长度越长, 气流速度的改变就越平缓。在风机相同转速等初始条件下, 导流板的长度越长, 沿导流板方向相同位置的气流速度线性走向越明显。3) 果树的种植模式不同, 高矮、枝叶疏密等特性不同, 需要调整与之相对应的导流板角度和长度。导流板合适的角度和长度也能改善果树的喷雾作业效果, 达到经济、环保的目的。
摘要：自走式果园喷雾机的风机出风口有一块导流板, 导流板对于风机出风口气流风速的分布有着重要的影响。文章基于Fluent14.5软件, 对于风机出风口风速的分布进行数值模拟, 进而分析导流板的角度和长度在气流场中的具体影响作用。
关键词：导流板,FLUENT软件,气流场分析
参考文献
[1]邱威, 自走式果园风送定向喷雾机的研制与试验[D].南京:南京农业大学, 2012.
基于Fluent的冰塞融化模拟 篇8
天然河流尤其北方河流河面常于冬季形成大面积冰凌,会阻塞航运、损坏河床,还可能壅堵河道引发冰凌洪水,造成重大的灾害和损失,因此需要对河冰的形成及消融进行研究。近年来河冰水力学的研究发展迅猛,随着计算机的发展和对冰情物理现象认识的加深,人们对河冰水力学数学模型不断地进行完善,相继提出了不少河冰模型,Lal和Shen在前人研究成果的基础上引入了流水分层输移的概念,并研制了包括许多河冰过程的综合河冰模型RICE;王军等基于人工神经网络预测弯道断冰塞壅水及水内冰塞厚度分布模拟,该文基于Fluent对冰塞融化进行了模拟。
1 计算模型
冰塞融化的过程是一个热量传递的过程,通过导热、对流传热、辐射传热进行热量传递。具体涉及到水温、水流流速、大气温度、风速、水深等因素。本文建立了长10 m厚0.5 m的冰块模型,利用Fluent中的凝固/融化模型,在改变水温、水流流速、大气温度、风速的情况下,对冰块的融化状态进行模拟。
边界一、二是上下游恒温端,边界三为冰块与大气交界面,边界四为冰块与河水交界面。网格使用Fluent前处理器Gambit划分。
2 凝固/融化模型的理论及计算参数
2.1 凝固/融化模型的理论
Fluent可以求解关于凝固和(或)融化发生在一定温度或超过一定温度范围流体流动的问题。Enthalpy-porosity技术被应用于Fluent中的凝固和融化处理过程中。在这项技术中,深化界面没有被很明显的跟踪。取而代之,大量的液体分数(液体分数显示那些流体组成的单元体积)被联合到每个单元在整个区域内。这些液体所占份额在热平衡的基础上通过反复计算被估计。
糊状的地方是流体分数在0～1之间的区域。这些糊状的地方在模拟过程中为一个单元时,多孔性变为0,因此速度也降为0。
材料的焓能由h和潜热∇H来计算:
H=h+∇H。
其中,h=href+∫
流体分数β,被定义为:
β=0 if T<Tsolidus,β=1 if T>Tliquidus。
方程(1)被作为尺度。
潜热内容可以查阅相关材料的潜热性能表,∇H=βL,潜热的值在0(对固体)～L(对液体)之间变化。
在关于组分分离的多组分的凝固实例中;例如,在组分传输的凝固或融化过程中,固相限和液相限被用来代替组分按下式计算:
其中,Ki为溶质i的分离系数,是固体与液体界面的浓度比率;Yi为溶质i的质量分数;mi为液相限表面考虑Yi之后的梯度。它被假设为混合物的最后一种组分材料是溶剂并且其他的组分是溶质。
对于凝固/融化的问题,能量方程可以写作:
其中,H为焓;ρ为密度;
求解温度过程的本质是在反复求解能量方程式(4)和流体组分方程式(1)。直接用公式(1)更新流体阻力通常导致能量方程非常不好的收敛性。在Fluent中通常用voller和swaminathan来更新流体阻力。
2.2 计算参数的选定
1)冰盖—大气热交换S1,包括对流传热及大气辐射。
冰盖与大气的对流传热主要决定于水体和空气两者之间的温差及对流传热系数,本文应用外掠等温平板的边界层流动及比拟理论计算冰面与大气的平均表面对流传热系数。当平板长度l大于临界长度xc时,整个平板的平均表面传热系数hm按下式计算:
其中,λ为空气的导热系数;l为平板长度;Pr为普朗特数。
积分后可得:
其中,Rec为临界雷诺数,取Rec=5×105。
大气辐射的发射率ε=0.96。
2)冰盖—水热交换S2,包括对流传热及水体辐射。
热交换系数hfi按下式计算:
其中,V为水流平均速度;hw为水深。
水体辐射的发射率ε=0.96。
3)冰盖—自身热传导S3,冰的导热系数λ=2.22 W/(m·K)。
3 计算结果及分析
给定上下游温度分别为270 K,275 K,水流温度275 K,水深10 m,改变风速、大气温度、水流速度得出冰塞融化状态如图1～图8所示。
其中黑色区域为冰。
由图1～图8对比可知当大气温度低于冰的融化温度273.15 K时,风速越大,冰块融化区域越小,当温度高于冰的融化温度时,风速越大,冰块融化区域也越大;水的流速越大,冰块的融化区域也就越大;在相同速度的情况下,水流对冰块融化的作用大于风;影响冰块融化的最主要因素还是温度,在改变相同单位的温度及风速、水流速的情形下,温度对冰块融化的影响更显著。
冰与外界的热交换还涉及到一些因素,例如:蒸发或冷凝产生的热交换、降水或降雪产生的热交换、冰盖被雪层覆盖时对热交换的影响;并且大气辐射具体涉及到长波辐射、短波辐射,冰盖对各个波段的辐射能吸收是不等的。这些因素都可以在选择参数时进一步考虑。
摘要：针对冰塞的消融问题研究相对较少的现状,基于Fluent软件利用热力学及河冰水力学原理对冰塞的融化进行了初步模拟和探究,在已知河段的天气、水文等情况下对河面冰塞消融进行了模拟分析,从而有效模拟冰塞融化的状态。
关键词：冰塞融化,Fluent,凝固和融化模型,模拟
参考文献
[1]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2006:4-11,202-218.
[2]王瑞金,张凯,王刚.FLUENT技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2007:165-174.
[3]Lal A M,Shen HT.Mathematical-model for river ice processes[J].J.J.Hydraul.EngASCE,1991,117(7):851-867.
[4]王军,伊明昆,付辉,等.基于人工神经网络预测弯道段冰塞壅水[J].冰川冻土,2006,28(5):782-785.
[5]Yakhot V,Orszag S A.Renormalization group analysis of tur-bulence1.Basic theory[J].Journal of Scientific Computing,1986,1(1):39-51.
[6]秦妍,李维仲.利用移动网格技术模拟冰融化过程中的传热问题[J].热科学与技术,2005,4(3):213-218.
[7]茅育泽,董曾南,陈长植.河冰数学模拟研究综述[J].水力发电,1996(12):58-61.
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