学文网摘要：简要介绍FLUENT软件，回顾其在流场计算中的应用。以电站进水口、宽尾墩和阶梯溢流坝、双弯曲型溢洪道3类工程项目为例，叙述该软件在水利工程中的应用情况。针对水利工程问题边界复杂、水气混掺、自由面较多的特点，分析模型建体、自由面处理和网格划分等主要问题，并采用与模拟形状基本相同的体型、网格线与水流方向基本一致、边界位置远离紊动剧烈区域的方法予以解决。数值模拟表明，FLUENT软件可以处理复杂体型和具有多个自由面的水汽二相流VOF模型问题。
关键词：FLUENT软件 水利工程 数值模拟 水气二相流
引言
近年来，随着计算机性能的提高和数值计算方法的改进。目前已开发多种CFD商业软件，相比而言，FLuENT软件的功能更全面，适用性也更广，它将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD计算机软件群，包括前处理、数值求解和后处理三大模块，核心部分是N-S方程组的求解模块。从现有的研究成果来看，FLUENT软件的应用主要针对空气流场。田械等模拟了地铁专用轴流风机的内部流场;李磊等模拟了两种风向条件下街区风速分布；杨伟等计算了大气边界层中单栋高层建筑的定常风流场;赵琴川对空调室内的温度场进行了数值模拟。
1.FLUENT软件在VOF模型中的应用现状
fLUENT软件在水流流场中的应用不同于单纯的空气流场。水利工程问题边界复杂，水气混掺，存在多个自由水面，需要采用二相流VOF模型，数值模拟的成果还不多。salaheldin等对垂直圆墩周围的三维流场进行了数值模拟;刘加海等在水槽中对二维规则波进行了数值模拟;韩龙喜等在环形水槽中对三维流场进行了数值模拟。刁明***等采用VOF法对挑流消能从库区到下游水垫塘进行了水气二相流数值模拟，得到射流的空中轨迹线、水垫塘的自由水面和计算域的压力、流速、紊动能及紊动能耗散率分布。杨忠超等]结合向家坝水电工程，采用voF法。紊流模型对多股多层水平淹没射流进行三维数值模拟，得出中孔和表孔联合泄洪时消力池的流速和紊动能分布。近期的研究课题所涉及的研究体型更复杂，科研课题和工程实际结合得更紧密，开始运用并行机计算。
2.典型算例
目前，FLUENT软件在VOf中的应用已逐步展开，数值模拟同试验研究相比，具有成本低、方案变化快、无测量仪器干扰、无比尺效应和数据信息完整等优势，可作为模型试验的有力补充，如进水口模型试验在高水位时，无法用常规仪器测量进口周围的流速，而数值计算则可得到全域流场特性。本文结合典型工程算例，就复杂水气交界面的处理、模型建体和网格划分等问题作详细介绍。
2.1立轴旋涡
2.1.1特点
库区周围地形复杂，进水口前出现吸气立轴旋涡，呈倒圆锥体形，存在很难求解的旋转自由水面；旋涡具有游离性，上半部曲线斜率变化大，水流方向从水平迅速转向竖直，涡尾处尺度远小于周围水体，三维数值模拟尚未见报道。
2.1.2存在问题
在VOF模型试验中，出现了间隙性吸气旋涡。在计算机中重现立轴旋涡，主要存在以下问题:①模拟区域大。模拟范围包括部分库区、引水渠、进水口和有压隧洞。②天然地形对流场影响明显。库区地形复杂，对旋涡产生与否存在直接影响，需要输入足够多的断面资料。③数据工作量大。
2.1.3解决措施
天然地形的建体，如果在GAMBIT中采用逐一输点、点连成线、线形成面、面构成体的方法，将是一项相当繁琐的工作，而且容易出错。为了提高建体的效率和准确性，先采用Autolisp语言对AutocAD进行二次开发，从电子地形***中读出断面资料，并生成数据文件，然后采用FORTRAN语言对断面数据进行编程处理，产生与Gambit所对应的语句，即可完成天然地形的建模工作。
由于VOF模型根据网格中水和气的体积分数来决定水气交界面的位置，水面线的尺寸与网格的间距密切相关，交界面附近的网格过稀，如网格节点沿水面法线方向的间距为lm，则计算的水面线位置至少有0.5m的误差，直接影响流场的压力和流速特性。在没有立轴旋涡的区域，库水位为水平面，只需对水面线上下各0.2m的范围采用0.05m间距加密，即可很好地确定水面的位置。然而，旋涡区的网格加密则没有如此简单。由于立轴旋涡的尺度很小，需对产生旋涡的位置进行重点加密，使网格节点的间距小于涡尾的尺寸，才能准确地再现旋涡的形状；此外，旋涡具有游离性，加密区域难于确定，如果区域过大，必然增加计算网格，使得数值模拟速度快的优势荡然无存，因此需要先对未加密的网格进行计算，确定产生旋涡的位置，然后在此基础上进行加密。
3.结语
作为一种应用广泛的流体力学软件，FLUENT软件在VOF模型中的应用正逐步展开。水气交界面的网格构造是建体的关键，除网格密度要求外，建议网格线与水流方向一致，对于立轴旋涡这类体型特殊的情况，需要构造与旋涡形状基本相同的体型。出口边界选择水气混掺剧烈、紊动尚未充分发。
参考文献：
[1]李勇，刘志友，安亦然.介绍计算流体力学通用软件 [J].水动力学研究与进展，2001，
[2]刘霞，葛新锋.FLUENT软件及其在我国的应用〔J〕.能源研究与利用，2003
[3] 王福***.计算流体动力学分析——CDF软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社
作者简介：
黄飞（1985- ）男，硕士，江苏扬州人，主要从事新能源及仪器应用及故障检测。
转载请注明出处学文网 » Fluent软件在VOF模型中的应用