Fluent软件及其在水利方面的应用发展
摘要:本文主要介绍Fluent软件的组成结构、功能等,Fluent软件是流体软件中通用性比较强的商业软件,它具有计算方便、省时省力、模拟效果较好可以和试验相互验证等优点,在水利方面得到广泛应用。
关键词:Fluent软件;计算流体力学;数字模拟
流体力学是一门研究流体流动规律以及流体与固体相互作用的一门学科,研究的范围在水里中包括发动力内气体的流动,水里机械的工作原理,供水系统的设计,乃至航海航空和航天等领域内动力系统和外形设计等等。自从牛顿定律公布以来知道20世纪70年代初,研究流体运动规律的主要方法有3种:实验研究、理论分析方法和计算流体力学即数字模拟。但是实验研究耗费巨大,耗时耗力,而理论分析方法对于较复杂的非线性流动现象海域写无能为力,数字模拟需要很长的时间学习掌握微分方程求解以及对计算流体力学进行深入研究才能运用,由此,计算准确、界面有好、使用方便简单、能解决问题的商业计算软件应运而生。其中Fluent软件是通用性较强的软件,是用于计算流体流动和传热问题的程序[1,3]。
1Fluent软件介绍
Fluent软件是由美国Fluent公司推出的CFD(Comput ational Fluid Dynamics,即计算流体动力学)软件之一,在美国的市场占有率已高达60%,与流体、热传递及化学反应有关的工业均可使用,由于囊括了Fluent Dynamic International比利时Polyflow和Fluent Dynamic International(FDI)的全部技术力量,因此Fluent软件能推出多种优化的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理工具。Fluent软件基于有限元体积法,其思想实际上就是做很多模块,这样只要判断是哪一种流场和边界就可以拿已有的模型来计算。主要用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换,可用于二维平面、二维轴对称和三维流动的分析,定常与非定常流动的分析,不可压缩流和可压缩流的计算,传热和热混合的分析,化学组分混合和反应的分析,多相流的分析,固体与流体耦合的传热分析,多孔介质的分析等。对每一种物理问题的流动特点,有适合它的数值解法,用户可对显式或隐式差分格式进行选择,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。Fluent软件是用C语言编写的,因此具有很大的灵活性与能力,可以完成内存动态的分配,解的灵活控制。Fluent的作用主要体现在缩短设计过程,减少实验室测定试验的数目,减少产品开发成本,也即为CFD的作用所在。
在Fluent5.0中,采用Gambit的专用前处理软件,使网格可以有多种形状。Gambit软件是Fluent公司提供的前处理器软件,它包含功能较强的几何建模能力和强大的网格划分工具,可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量网格。Gambit的功能主要包括3个方面:构造几何模型、划分网格和指定边界,其中网格划分是其最主要的功能,最终会生成包含边界信息的网格文件。另外,Gambit还提供了非常灵活的网格特性,用户可以方便地使用结构和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。对于二维问题,可生成三角形单元网格和四边形单元网格;对于三维问题,可生成四面体、六面体、棱锥、楔形体及混合网格,还允许用户根据求解规模、精度及效率等因素,对网格进行整体或局部的细化或粗化,或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。使用Gambit软件,将可大大缩短用户在CFD应用过程中建立几何模型和流场以及划分网格所需要的时间。Fluent划分网格的途径有两种:一种是用Fluent提供的专用网格软件Gambit进行网格划分,另一种则是由其他的CAD 软件完成造型工作,再导入Gambit中生成网格。还可以用其他网格生成软件生成与Fluent兼容的网格用于Fluent计算。可以用于造型工作的CAD软件包括I-DEAS、Pro/E、SolidWorks、Solidedge等。除了Gambit外,可以生成Fluent网格的网格软件还有ICEMCFD、GridGen等等。网格划分完成后保存*.dbs文件和输出*.msh文件。Fluent还可以根据计算结果调整网格,这种网格的自适应能力对于精确求解又较大的梯度的流场很有实际的作用。由于网格自适应和调整只是需要加密的流动区域里实施,而非整个流场。因此可以节约计算时间。
Fluent求解器是Fluent的核心部分。在研究流体问题时,可以免去人工对N-S方程求解这一步,而将精力主要集中在所要研究方向上。减少了研究者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质、优化算法选用、参数的设定以及初始边条件对最终流态影响的研究上。因而提高了工作效率,对问题的研究的深度广度都可以得到一定的提高。
例如,文献Lee J.H,Chen C.Q.Numerical simulation of line Puff via RNG k-e.model [J].Communication of nonlinear science and numerical simulation,1996,和Schulze.Simulation of flows past a series 60 ship hull applying a RNG k-e turbulence model on an unstructured grid[A].7th ISCFD[C].Beijing,China研究中的科学计算都是用的Fluent软件完成的。
Fluent或Tecplot是Fluent软件后处理器。后处理的功能包括:计算域的几何模型及网格显示、矢量图(如速度矢量图)、等值线图、填充型的等值线图(云图)、XY散点图、粒子轨迹图、图像处理功能(缩小、放大、旋转等)、借助后处理功能,还可以动态模型流动效果,直观地了解CFD的计算结果[1,2,7]。
2Fluent在水利工程中的应用发展
Fluent软件应用于水利水电工程,近两年来才有了长足的进展,但它必将成为研究和分析工程水力学问题的重要工具。
2.1在水工方面的应用
西北勘测设计研究院工程科研实验分院巨江等通过Fluent软件模拟了泄水建筑物溢洪道、泄洪闸工程泄洪时的泄流能力曲线、壁面压力分布、沿程水面线及流速分布,其结果与模型试验资料吻合良好。他们以积石峡溢洪道为工程算例,计算模拟了溢洪道的泄流能力曲线;计算获得了溢洪道内任意点的压力,试验仅测量了底板中线上的压力,将计算的堰面、泄槽底板以及挑流鼻坎上的压力分布与试验资料进行对比,发现计算的最大、最小压力及其位置与试验资料吻合良好;计算溢洪道泄槽水面线,并且与试验相比;还计算模拟不同断面垂线流速分布,并与试验相比较。从比较结果中可以看出,计算模拟值与试验值吻合良好。[4]
西安理工大学水利水电学院陈冲、魏文礼连同西安普迈项目管理有限公司严建军应用Fluent软件对闸后水跃强紊流区流速场进行了数值模拟,并将数值模拟结果与实测结果进行比较,表明它具有可行性与实用性。他们采用标准k～ε湍流模型封闭Reynolds方程作为紊流控制方程组,用几何重构VOF法追踪自由表面,用PISO算法计算流场,定义入口为速度进口;空气入口为压力进口;出口为压力出口,认为下游出口处紊流已经发展的很充分,服从静压分布。得到了闸后某断面沿水深方向的计算值和实验值对比图,从中可以看出计算值和实验值比较吻合,从而得出Fluent软件能很好的模拟紊流流动。[5]
2.2在节水灌溉方面的应用
华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室聂磊、史玉升、魏青松、芦刚和水资源与水电工程技术国家重点实验室武汉大学董文楚采用通用流体模拟软件Fluent软件所提供的5种不同的湍流模型:标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Real2izable k-ε模型、标准k-ω模型、SST k-ω模型,对滴灌灌水器微流道内流场水流流动进行了数值模拟。通过对比模拟得出的灌水器的流量与实验室试验的结果,评价了不同的湍流模型对不同类型灌水器内流场流量模拟效果的影响,为灌水器内流场的理论分析以及灌水器流道结构的工程设计提供了一定的参考依据。[6]
3小结
Fluent软件在我国已经获得较好的应用。优点之一是应用于水流的计算机模拟,能取得和实验很接近的结果,并且有计算快速、简捷、方便的优点。它不仅能给出反映水流运动总体特性的各项运动参数,如流速、压强等,而且可以方便地计算出各项水流参数的全场分布,能给出相关流场的具体信息。Fluent软件另一个主要优点就是它的后处理功能,它能清晰的显示不同计算时刻、不同位置断面处的水流运动参数。由于其减少了研究者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质,优化算法选用,参数的设定,因而提高了工作效率,其必然会获得越来越多的应用,应用效果也必将越来越好。同时数值模拟可以提供更多的流场信息,与模型试验具有相辅相成的作用。但是对于模拟不规则边界的水流流动情况,还需要对Fluent 进行二次开发。
参考文献
1 韩占忠、王 敬、兰小平.Fluent流体工程仿真计算实例与应用.北京:北京理工大学出版社,2008
2 王瑞金、张 凯、王 刚.Fluent技术基础与应用实例.北京:清华大学出版社,2007
3 王福军.计算流体动力学分析.北京:清华大学出版社,2004
4 巨 江、刘少斌、杨晓池.Fluent软件在泄水工程中的应用.水力发电学报,2009.28(2)
5 聂 磊、史玉升、魏青松、芦 刚、董文楚.基于灌水器流量的湍流模型适应性研究.节水灌溉,2008(1)
6 陈 冲、魏文礼、严建军.基于Fluent软件的闸后水跃二维数值模拟.黑龙江水专学报,2008.35(4)
7 刘 霞、葛新锋.Fluent软件及其在我国的应用.能源研究与利用,2003(2):36～38
