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        水力學(xué)數(shù)值分析研究綜述

        2017-10-19 10:10:34陳鐳
        水能經(jīng)濟(jì) 2017年6期

        陳鐳

        【摘要】隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,水力學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合增強(qiáng)了解決水力學(xué)疑難問題的能力。數(shù)值模擬軟件是理論研究成果與實(shí)際工程相結(jié)合的計(jì)算水力學(xué)商業(yè)軟件的杰出代表之一。本文首先介紹了數(shù)值模擬軟件的一些特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域,然后總結(jié)了它在水力學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀,指出了它具有計(jì)算快速、簡(jiǎn)捷、方便等優(yōu)點(diǎn),最后對(duì)數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

        【關(guān)鍵詞】數(shù)值模擬軟件;水力學(xué);計(jì)算機(jī)模擬;CFD

        1、計(jì)算機(jī)模擬作為水力學(xué)研究的手段之一

        具有以下優(yōu)點(diǎn):費(fèi)用低廉,而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步,這一優(yōu)點(diǎn)越來越突出;省時(shí)高效;可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種復(fù)雜物理?xiàng)l件下流場(chǎng)的真實(shí)和全域的模擬;也可實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)下的模擬,比如可以將某一現(xiàn)象單獨(dú)隔離開來進(jìn)行研究;與物理模型試驗(yàn)只能針對(duì)某些點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)相比,計(jì)算機(jī)模擬所提供的信息量大而豐富。隨著計(jì)算機(jī)功能的不斷完善與提高,水力學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合將極大的增強(qiáng)解決疑難問題的能力。水力學(xué)模型的進(jìn)步、流場(chǎng)可視化技術(shù)的發(fā)展以及水力信息學(xué)的普及應(yīng)用,都是這方面的體現(xiàn)。加強(qiáng)水力學(xué)的算法研究和軟件開發(fā),把計(jì)算機(jī)和水力學(xué)密切結(jié)合起來,已成為現(xiàn)代水力學(xué)研究的重要任務(wù)之一。

        近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(ComputationalFluidDynamics,CFD)作為一門獨(dú)立的學(xué)科逐漸成為流體力學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)的熱門研究?jī)?nèi)容,且發(fā)展日趨成熟。在這一趨勢(shì)下,將理論研究成果與實(shí)際工程相結(jié)合的CFD商業(yè)軟件應(yīng)運(yùn)而生,F(xiàn)LUENT便是其中的杰出代表。FLUENT軟件的設(shè)計(jì)基于“CFD軟件群”思想,可針對(duì)各種不同流動(dòng)的特點(diǎn),采用最佳的數(shù)值解法,在計(jì)算速度、穩(wěn)定性、精度等方面達(dá)到優(yōu)化組合,從而高效地解決各領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問題,準(zhǔn)確模擬流動(dòng)、傳熱和化學(xué)反映等物理現(xiàn)象。1FLUENT軟件簡(jiǎn)介

        FLUENT公司在CFD商用軟件,市場(chǎng)上占有領(lǐng)導(dǎo)地位,其市場(chǎng)占有達(dá)40%左右。FLUENT軟件的功能很全面,適用性也很廣,它將不同領(lǐng)域的計(jì)算軟件組合起來,成為CFD計(jì)算機(jī)軟件群,包括前處理、數(shù)值求解和后處理三大模塊,核心部分是N-S方程組的求解模塊。FLUENT軟件要包括GAMBIT和FLUENT。其中GAMBIT是CFD計(jì)算中的前處理器,F(xiàn)LUENT是求解器的一種。對(duì)于模擬復(fù)雜流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的不可壓縮或可壓縮流動(dòng)來說,F(xiàn)LUENT是很理想的軟件。對(duì)于不同的流動(dòng)類型,還可以應(yīng)用FLUENT提供的其它專業(yè)求解器。

        2、數(shù)值模擬軟件在水力學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

        FLUENT軟件于1998年進(jìn)人中國(guó)市場(chǎng)。FLUENT軟件在我國(guó)應(yīng)用的也很廣泛。FLUENT軟件在空氣流場(chǎng)中的應(yīng)用已比較成熟。田鋮等模擬了地鐵專用軸流風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng);李磊等模擬了兩種風(fēng)向條件下街區(qū)風(fēng)速分布和CO質(zhì)量濃度的分布情況;楊偉等計(jì)算了大氣邊界層中單棟高層建筑的定常風(fēng)流場(chǎng);趙琴對(duì)空調(diào)室內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。 FLUENT軟件在水流流場(chǎng)中的應(yīng)用不同于單純的空氣流場(chǎng)。水利工程問題邊界復(fù)雜,水氣混摻,存在多個(gè)自由水面,需要采用二相流模型,計(jì)算機(jī)模擬的成果還不多。Salaheldin等對(duì)垂直圓墩周圍的三維流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬;劉加海等在水槽中對(duì)二維規(guī)則波進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬;韓龍喜等在環(huán)形水槽中對(duì)三維流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。Chen等采用雙方程紊流模型,對(duì)階梯溢流壩流場(chǎng)進(jìn)行了三維紊流計(jì)算機(jī)模擬,得出溢流壩沿程的自由水面位置、速度大小和分以及階梯面上的壓力等重要流場(chǎng)特性。刁明軍等采用VOF法對(duì)挑流消能從庫(kù)區(qū)到下游水墊塘進(jìn)行了水氣二相流計(jì)算機(jī)模擬,得到射流的空中軌跡線、水墊塘的自由水面和計(jì)算域的壓力、流速、紊動(dòng)能及紊動(dòng)能耗散率分布。楊忠超等結(jié)合向家壩水電工程,采用VOF法和RNG紊流模型對(duì)多股多層水平淹沒射流進(jìn)行三維計(jì)算機(jī)模擬,得出中孔和表孔聯(lián)合泄洪時(shí)消力池的流速和紊動(dòng)能分布。陳云良等根據(jù)某電站進(jìn)水口1:50模型試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)進(jìn)水口流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算,研究來流、復(fù)雜地形邊界等對(duì)進(jìn)水口流態(tài)的影響。張挺等對(duì)索風(fēng)營(yíng)電站X形寬尾墩和階梯溢流壩聯(lián)合消能的三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,給出壓力特性、流速分布、階梯及墩后水氣兩相流的部分特性。周勤等對(duì)小南海水庫(kù)雙彎曲型溢洪道原型流場(chǎng)進(jìn)行三維計(jì)算機(jī)模擬,得出溢洪道沿程水面線和速度等重要水力參數(shù)。葉茂等結(jié)合典型工程算例,就復(fù)雜水氣交界面的處理、模型建體和網(wǎng)格劃分等問題作詳細(xì)介紹。羅挺等以win-dows2000操作系統(tǒng)和通用CFD軟件工具FLUENT為基礎(chǔ),研究構(gòu)建了不同的并行計(jì)算硬件平臺(tái)的力法,計(jì)算了典型的山谷污染物擴(kuò)散過程的湍流流場(chǎng)??梢?,F(xiàn)LUENT軟件在水力學(xué)中的應(yīng)用已逐步展開,計(jì)算機(jī)模擬同試驗(yàn)研究相比,具有成本低、方案變化快、無(wú)測(cè)量?jī)x器干擾、無(wú)比尺效應(yīng)和數(shù)據(jù)信息完整等優(yōu)勢(shì),可作為模型試驗(yàn)的有力補(bǔ)充,如進(jìn)水口模型試驗(yàn)在高水位時(shí),無(wú)法用常規(guī)儀器測(cè)量進(jìn)口周圍的流速,而數(shù)值計(jì)算則可得到全域流場(chǎng)特性。另外,由于其減少了研究者在計(jì)算方法、編程、前后處理等方而投入的重復(fù)、低效的勞動(dòng),將更多的精力和時(shí)間投入到考慮問題的物理本質(zhì),優(yōu)化算法選用,參數(shù)的設(shè)定,因而提高了工作效率,其必然會(huì)獲得越來越多的應(yīng)用,應(yīng)用效果也必將越來越好。

        3、結(jié)論與展望

        通過總結(jié)數(shù)值模擬軟件在水力學(xué)中的應(yīng)用形狀,我們可以知道,數(shù)值模擬軟件應(yīng)用于水流的計(jì)算機(jī)模擬,能取得和實(shí)驗(yàn)很接近的結(jié)果,并且有計(jì)算快速、簡(jiǎn)捷、方便的優(yōu)點(diǎn)。它不僅能給出反映水流運(yùn)動(dòng)總體特性的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù),如流速、壓強(qiáng)等,而且可以方便地計(jì)算出各項(xiàng)水流參數(shù)的全場(chǎng)分布,能給出相關(guān)流場(chǎng)的具體信息。

        參考文獻(xiàn):

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        [4]田鋮,張歡,由世俊,等.利用FLUENT軟件模擬地鐵專用軸流風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)(一):對(duì)稱翼葉片軸流風(fēng)機(jī)[J].流體機(jī)械,2003,31(11):13-15.

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