flow3d軟件intronumerical介紹和技術(shù)基礎(chǔ)

1、介紹和技術(shù)基礎(chǔ)FLOW-3D 水利工程介紹TonyJanuary 1, 2013FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training1什么是 CFD?FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training2January 1, 2013在一個(gè)真實(shí)環(huán)境中模擬流體流動的方法物理情況: 簡單化和虛擬化作為一個(gè)虛擬模型使用數(shù)值求解流體和固體動力學(xué)方程FLOW-3D 求解以下：流體運(yùn)動： 1-D, 2-D, or 3-D相變： boiling and cavitation, solidification, melting多相流: air entrainment, sedim

2、ent transport, oil/water, etc.固體運(yùn)動：from very small (particles) to very large (gates, etc.)固體應(yīng)力和變形： weir buckling, sediment erosion, tank failure熱傳遞污染物擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)溪流的虛擬模型FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training3January 1, 2013Images by Frank Dworak (2005), “Characterizing Turbulence Structures along Woody Veget

3、ated Banks in Incised Channels: Implications for Stream Restoration,” thesis: University of Tennessee Knoxville, Dec. 2005.更多案例FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training4January 1, 2013FLOW-3D 優(yōu)勢FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training5January 1, 2013FLOW-3D 是一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)室!可視化和測量數(shù)據(jù)所需的成本僅僅是物模的一小部分在建造一個(gè)物模前找到設(shè)計(jì)缺陷提高設(shè)計(jì)的安全性

4、和效率Designing a pontoon system to improve passenger safety at wharfs: WorleyParsons & NSW Maritime, 2009.課程目標(biāo)FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training6January 1, 2013了解模型建立及分析討論FLOW-3D在特定水利工程上如何使用建立和分析模擬所遵循的工作流程練習(xí)建立模型指南了解在哪和如何獲得幫助咨詢：協(xié)助項(xiàng)目工作！FLOW-3D 技術(shù)基礎(chǔ)FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training7January 1, 2013完全離散 N

5、avier-Stokes 方程正交化結(jié)構(gòu)網(wǎng)格+Multi-block復(fù)合網(wǎng)格塊FAVOR 在網(wǎng)格內(nèi)處理復(fù)雜幾何形狀TruVOF準(zhǔn)確的自由液面模擬方法被徹底驗(yàn)證許多物理模型時(shí)針對特定情況紊流-turbulence表面張力-surface tension相變&多相流-phase change & multi-phase flow流固耦合-fluid/solid interactions自動數(shù)值控制提供：準(zhǔn)確&穩(wěn)定的收斂數(shù)值解最佳求解&速度的平衡Navier-Stokes Momentum Equations (Cartesian Coordinates)Mass Continuity Equati

6、ons (Cartesian coordinates)流體運(yùn)動方程FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training8January 1, 2013 : fully compressible: pressible: limited compressibility控制體積方法FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training9January 1, 2013Control volume representation in FLOW-3DStandard control volumeSeries of small control volumes有限體積法FLOW-

7、3D v10.1: Hydraulics Training10January 1, 2013交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法矢量變量置于網(wǎng)格(cell)面心上標(biāo)量變量置于網(wǎng)格(cell)體心上結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格意味著計(jì)算域?qū)⒈环纸鉃槿舾蓚€(gè)長方體單元問題：如何在正交網(wǎng)格內(nèi)表征曲面的幾何？yzxCell centerPressuresTemperaturesScalarsBody forcesCell facesVelocitiesStressesgFAVOR模擬復(fù)雜幾何FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training11January 1, 2013FAVOR = Fractional Area/

8、Volume Obstacle Representation計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)的面積和體積比比值被代入守恒方程優(yōu)勢：快速產(chǎn)生網(wǎng)格提升求解計(jì)算速度對于特定算例，可以利用調(diào)整運(yùn)動的物體曲率大的表面(如：泄洪道)CalculateAf at three facesVfHeat Transfer AreaAf,topAf,rightVfHeat Transfer AreaAf,front復(fù)合區(qū)塊網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)2010 Casting Training連接式網(wǎng)格：可針對幾何造型配置嵌套式網(wǎng)格：可增加局部數(shù)值分辨率建立自由液面FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training13January

9、1, 2013定義自由液面液體/氣體 界面氣體的壓力梯度很小兩種液體密度比很大(10 x)(1) ONE-FLUID APPROACH氣體不求解控制方程在界面處施加邊界條件優(yōu)點(diǎn)：空的單元不會被計(jì)算優(yōu)點(diǎn)： 無氣/液擴(kuò)散缺點(diǎn)：氣體具有均一壓強(qiáng)缺點(diǎn)：氣體沒有速度(2) TWO-FLUID APPROACH氣體求解控制方程計(jì)算氣液混合的動力學(xué)優(yōu)點(diǎn)：建立氣體模型缺點(diǎn)：計(jì)算耗時(shí)缺點(diǎn)：很可能出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象缺點(diǎn)：參數(shù)設(shè)置更復(fù)雜TruVOF 流體體積法FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training14January 1, 2013對于準(zhǔn)確自由液面VOF法，具有三種要求：準(zhǔn)確獲得自由液面的位置

10、和方向：采用流體分?jǐn)?shù) F準(zhǔn)確追蹤自由液面：對流在自由液面處施加一個(gè)完整且準(zhǔn)確的邊界條件VoidFluidFluid area fractions at faces determine the free-surface orientation within a cell驗(yàn)證 TruVOF算例FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training15January 1, 2013Measured QuantityData*v10.0Diff.Pool depth, yp/H0.4250.428+0.6%Outflow depth, y1/H0.0940.091-0.3%Pool le

11、ngth, Lp/H1.091.06-3.2%Nappe angle, 57.458.3+1.5%Energy loss, E/E00.2590.252-2.76%E0E1ypLpaH*Data: N. Rajaratnam and M.R. Chamani, “Energy Loss at Drops”, J. Hydraulic Res. 33, 1995, pp.373-384.no calculations in air (void):constant pressure impliesfully aerated驗(yàn)證: TruVOF vs. Two-Fluid VOFFLOW-3D v1

12、0.1: Hydraulics Training16January 1, 2013TruVOF (one-fluid)維持陡變的界面與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符恒壓的氣體似為開放的腔體密閉（部分泄氣）情況也可以被建模（考慮背壓）CPU: 雙核 20秒Two-Fluid VOF界面處存在擴(kuò)散：不符合物理現(xiàn)象摻氣：不符合物理現(xiàn)象排氣必須建立模型：一定是三維模型!運(yùn)算時(shí)間是前者的四倍通常情況如何使用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLOW-3D v10.1 Hydraulics Training17January 1, 2013了解你想要從模擬得到什么資料了解什么是你不需要的，以保持盡可能簡化模型做一些不需要復(fù)雜計(jì)算以確定雷諾數(shù)

13、和其它無量綱參數(shù)以最簡單模型開始盡可能從二維算起若快速得到穩(wěn)態(tài)的情況，粗糙網(wǎng)格是最佳的在置于精細(xì)網(wǎng)格和三維計(jì)算之前，解決可能發(fā)生的問題點(diǎn)確保模擬設(shè)置參數(shù)與實(shí)際情況相符仔細(xì)檢查邊界條件和其它參數(shù)檢查模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)最對比測量的物理數(shù)據(jù)手算近似值: Bernoullis equation, Mannings equation, 等確保你了解所得到的結(jié)果!一個(gè)典型水利工程工作流程FLOW-3D v10.1 Hydraulics Training18January 1, 2013建立簡單模型（2D & 稀疏網(wǎng)格）測試簡單模型:是否可以運(yùn)算？修正任何錯(cuò)誤對比& 選取“動量對流”選項(xiàng)(可選的)對比 &選

14、取“VOF法”選項(xiàng)(可選的)對比& 選取“數(shù)值參數(shù)”(可選的)校正 LT,MAX (TLEN)(可選的)通過細(xì)化網(wǎng)格以達(dá)到結(jié)果收斂校正入口湍流(可選的)校正表面粗糙度(可選的)將CFD結(jié)果與實(shí)驗(yàn)或理論對比結(jié)果合理嗎?結(jié)果合理嗎?驗(yàn)證方法可靠性用上面的策略建立目標(biāo)模擬USE下一步： 參數(shù)研究和發(fā)表結(jié)果等如何需求幫助？FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training19January 1, 2013步驟 1: 查閱.html 用戶手冊幫助菜單 內(nèi)容 允許打開彈出窗口(瀏覽器)搜索或檢索變量和術(shù)語在全局菜單中選擇所需內(nèi)容步驟 2: 登陸 用戶名和密碼在 User Site 存放一

15、些算例和軟件更新步驟 3: 搜索 資源 Tech Papers: 利用FLOW-3D 軟件且已發(fā)表研究論文資源 Tech Notes: 開發(fā)者對物理模型的算法和方程演示推導(dǎo)過程CFD-101: 由Tony Hirt寫的，其為VOF 和 FLOW-3D 創(chuàng)始人搜索: 在tech notes, tech papers, newsletters, CFD-101尋找所關(guān)心的內(nèi)容步驟 4: 聯(lián)系 或 聯(lián)系代理商或分公司問題?FLOW-3D v10.1: Hydraulics Training20January 1, 2013FLOW-3D, TruVOF, and FAVOR are registered trademarks in the U.S. and other cou