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模型是这种情形时,不考虑表面张力。
问题的大小(模型运行的时刻)能够利用堰中心顺水流平面的对称特性进行简化。
因此,咱们仅仅需要模拟整个范围的一部份(即堰的后半部份),就可也取得堰的全数信息。
咱们已经对问题进行了简化,下面是如何成立这些条件,如何确信几何条件,利用flow3d求解问题。
建模
整体参数
点击“ModelSetup”表的“General”表,“General”是确信整个问题的参数,如终止时刻、终止条件、界面追踪,流体模式,液体的数量,提示选项,单位及精度。
对本教程,咱们是想看流场,当液体达到几乎稳固状态时,它的时刻是。
因此,通常设定终止时刻为。
对一个实际问题,可能运行这种模拟的时刻会更长一些。
可是,咱们感爱好的是速度,关于本运行,咱们限按时刻。
在“Simulationunits”题目菜单中,选CGS单位(厘米。
克。
秒),其它设置采纳缺省设置。
在“总信息表Globaltab”的底部注释中,你能够在第一行为问题指定一个名字。
名字会出此刻所有输出文件和图形上。
本例名称为“FlowoveraWeir”(过堰流体)。
成立几何体GeometrySetup
咱们将添加元件概念堰体。
第一,咱们输入一个已有的STL文件,,该文件放在目录“c:
\flow3d\gui\stl_lib”。
切换到“几何与分网Meshing&
Geometry”表,单击工具条STL图标,会打开题目为“几何Geometry”的对话框,点击添加,打开对话框,找到并选择。
在“GeometryFile”点击ok,同意缺省设置。
在以后显现的添加部件对话框中同意缺省设置。
此刻STL文件已经输入,而且出此刻工作空间中。
输入文件也被列在树形结构表中。
下面,咱们将通过“FLOW-3D”简单建模创建另一个组件,来添加上游水库河床。
在工具栏点击box(盒子)图标,盒子对话框显示如图2。
图2盒子组件选项
为了能够概念堰上游河床不同的特性(如添加糙率参数),咱们应将河床定义成一个单独的部件。
这是因为“FLOW-3D”组件中的所有子部件共享相同的参数。
因此,在盒子子部件对话框的下拉菜单中,选择“NewComponent2”,输入盒子尺寸,如图2。
其它按缺省设置。
在盒子对话框中,单击ok,同意缺省参数。
下一个对话框显现(添加组件)。
盒子会作为新子部件在左侧树形结构及工作空间中显现。
注:
对本教程,咱们提供了河床的范围。
为了你能够自己确信河床尺寸,你能够通过树形结构查看STL文件的尺寸。
这时,通过单击“+”号,打开部件1数据,打开子部件1分支,查看部件的x、y、z方向的最大、最小尺寸。
分网
在进行任何模拟时,最重要的工作之一是考虑如何概念计算网格。
网格单元的数量,取决于概念边界的尺寸。
而且,网格单元的数量极大地阻碍计算结果、运行时刻、计算精度。
因此,问题的范围必需认真选择。
总之,计算人在问题未做好之前,应当谨慎勾画问题的简图。
对本问题,咱们需要概念的问题是2个:
堰后流体及堰前面流体流过的范围,固然还有堰本身。
注意,不要将范围定得过小,如图3、图4。
若是堰上游范围过小,见图3,计算结果可能不稳固,因为可能会显现突然的加速度。
若是堰下游定得过小,见图4,边界条件会阻碍流态。
同样,边界范围不该定得太大,因为没有必要增加计算规模(计算时刻)。
图3计算结果不稳固图4下游范围小
“FLOW-3D”利用结构化的计算网格。
这些网格不是方块确实是圆柱。
既然计算时刻与网格数量的增加而增加,计算者应该严格减少范围内无用的部份。
“FLOW-3D”允许利用多网格块,能够排除范围内无用的部份。
通过2个、3个或更多的块,你能够考虑减小计算范围。
对这种情形,将采纳比较粗糙的一块网格,开始咱们的计算。
在后面的练习中,咱们将在感爱好的区域嵌套精细的网格。
在flow3d中,有两种方式创建和概念网格:
手工概念及图形概念。
那个地址,咱们表达手工概念网格。
咱们将概念网格范围:
-10<
x<
20,0<
y<
10,及0<
z<
18。
既然咱们打算利用对称,减小计算范围,仅需要堰模型的一半,咱们将Y范围限制为STL对象宽度的一半。
而且,咱们已概念边界,以便问题运行速度快点。
可是,实际问题可能需要取一个大的范围。
已保留的输入文件中包括一个默许网格。
它可在树结构下查看到(笛卡尔坐标系)。
在树结构中,单击1开放的X,Y和Z方向的分支。
在编辑框中包括各方向范围的单元数。
在x方向分支,修改范围:
Pt1→-10,pt2→20,设置x方向单元总数量为30,刷新网格显示转变(点击更新网格图标或CTRL+U)。
图5网格结果
BoundaryConditions
计算范围的所有边界都需要边界条件。
缺省情形下,flow3d将所有边界设为对称,即边界没有不稳固的特性和剪切。
关于本问题,x最大、x最小边界设定为水压力边界。
这是必要的,为了模拟大水库的流态,这两个边界必需维持恒定流深度。
下面两图给出了水边界的工作方式。
图6显示了水边界在右边,流体的高度大于内部流体的高度,因此,水是流进边界。
图7显示了一样的边界,可是边界液体的高度小于内部液体的高度,结果,液体流出边界。
图6初始流体高度设置图7随着流体高度调整
既然咱们利用对称特性仅处置堰的一半,Y最小边界是个对称平面。
Y最大值边界也将设为对称边界,尽管事实上并非对称。
一个自由、滑腻、无渗透的边界是必要的。
若是边界距离堰流体足够远,边界可不能阻碍流态。
若是边界太近,它将阻止水在Y方向按自然的方式流动。
在对称边界中剩下Z最大、最小边界了。
它们与流体不接触,因此边界并非重要。
咱们只需简单的同意这两个边界的缺省设定。
为了这些选项,点击建模(ModelSetup)下的边界(Boundariestab)。
边界及边界约束在左侧树形界面显示。
每一个边界能够点击其右边按钮设定。
在工作空间,划分的网格也同时显示,每一个网格边界显示一个图标,见图8。
图8网格边界视图
点击x最小边界按钮,选择指定边界压力按钮(theSpecifiedPressureRadiobutton)。
而且,选择总压力(StagnationPressure)检查框,设定液体高度为,见图9。
点击ok关闭x最小边界对话框。
在那个边界上,液体将维持高的水压力。
水将通过边界进入内部。
图9边界类型调整
此刻,点击X最大按钮,对该边界选择指定压力按钮(theSpecifiedPressureradiobutton)。
同时,选择总压力(theStagnationPressure)检查框,设置液体高度为。
设置F百分比值为0(这将阻止液体通过网格进入边界)。
关闭X最大值对话框。
在那个边界中,将维持一个水压力,液体高度将维持,因为流体百分比已经设定为0,水将不能流入,但能够自由流出。
初始参数
下一步是设定本问题的内部条件。
既然咱们已设定x的最大、最小边界为水压力,咱们需要激活水压力选项,以保证边界条件正确设置。
点击建模下的初始条件表(Initialtab),在初始压力域(InitialPressureField),选择z方向静水压力按钮。
这将初始化网格中所有液体初始条件为静水压力,同时也指示垂直压力边界为静水压力边界。
下一步,在网格中创建初始流体。
点击添加(Add),弹出编辑范围(EditRegion)对话框,在对话框中,设置x方向高度“XHigh”为0,z方向高度“ZHigh”为15,同时应按下在流体选项下的添加流体按钮(Addfluidradiobutton)。
然后,按ok。
再次按添加流体按钮,添加第二个流体域,在编辑域对话框中,设置x低(Xlow)为1,z高(Zhigh)为。
这两个流体域,在零时刻将流体放入网格。
流体域即为流体的范围,若是在某个方向未设定值,那么那个方向流体范围到模型边界。
选择物理模型
此刻,咱们考虑把很多物理模型打开。
在总述中,咱们讨论了不同的无量纲参数,和对本问题的阻碍。
回忆一下,咱们应考虑黏性,可是咱们忽略表面张力。
既然流体与壁之间为非滑腻,咱们采纳壁剪切模型。
这就确信了,壁的非滑腻边界条件。
其它有关的参数为流体的重力场。
似乎没有必要考虑温度的阻碍。
在建模(ModelSetup)表当选择物理表(Physicstab),点击黏性和紊流(Viscosityandturbulence)按钮,而且选择牛顿黏性(Newtonianviscosity)按钮。
在同一个表中,确信壁剪切边界条件的非滑腻或部份滑腻(No-Sliporpartialslip)的按钮被选择。
最后,点击ok,关闭对话框。
黏性计算已经被选择,且已经考虑壁边界的黏性剪切阻碍。
点击重力按钮,设定z方向重力加速度-980cm/s2。
注意:
重力加速度为负值,是因为重力方向在咱们的参考系中指向-z。
激活重力加速度,重力就成为液体的体力。
流体设定
在建模(ModelSetup)的流体表(Fluidstab),要提供待分析问题的流体的类型信息。
在本问题中,水是咱们的流体。
需要指定的特性为密度及黏性(记住,咱们忽略表面张力的阻碍,对表面张力不感爱好)。
这些特性,能够直接在树形特性表中输入,也可在流体数据库中加载。
关于本问题,咱们以为,水处于标准大气压,温度20度。
加载水20度的这些特性。
选择建模(modesetup)中的流体表(fluidstab),在流体数据库节,找到并高亮20度水,单位为CGS制,点击加载流体1。
第一种流体的黏性和密度已被设定。
在特性树中,能够展开相应的项目,验证流体的黏性和密度。
(水的密度1000kg/m3)
在物理表中激活流体后,概念选定模型流体的特性是重要的。
若是未做这些,在模拟运行已经终止后,模型无法激活。
输出选择
在重个模型运行进程中,重启数据的时刻距离,等分为11段。
重启数据输出的所有单元的有关信息,依托于物理模型的选择。
选择输出表(outputtab),在重启数据域,设按时刻距离为,如此,每秒,1秒总共20步计算结果。
数据Numerics
尽管本模拟不需要对此做任何调整,数据表用于设定多个选项,咱们应熟悉它的重要性。
例如,能够设置压力结果的类型。
能够操纵时刻步。
若是时刻步由隐含选项的模型限制,能够利用隐含的选择,如热传导、黏性、弹性张力,表面张力,或水泡压力。
用于表面跟踪或动量,能够选择不同的水平对流选项。
预处置Preprocess
运行模拟的最后一步为对工程的预处置。
在文件菜单中,点击保留模拟选项,保留修改的转变。
在Simulate(模拟)菜单下,点击运行预处置。
这将把液体嵌入网格,而且产生可视的初步结果。
点击“AnalyzeTab”分析表。
显示题目为“FLOW-3DResults”Flow3d结果的对话框,点击用户化按钮,选择文件“”,然后ok。
“DISPLAYtab”自动打开,显示画图选项。
选择3d表,在等轴透视图选项“Iso-surfaceOverlayOptions”框中点击实体“SolidVolume”按钮。
下一步,点击生成“RENDER”按钮,验证初始条件。
你应该能看到被对称轴切开的半个堰,及上下游流体区域。
图10生成初始条件
RunningtheSimulation运行模拟
当对模型中意后,在模型菜单中点击运行模拟(RunSimulation)来运行本问题。
预处置会再次运行,在此基础上当即运行至完成。
本问题运行时刻大约1分钟。
LookattheResults查看结果
当模拟运行终止,点击(Aanlyzetab)分析表,选择左下边打开结果文件按钮(Openresultsfile),同时选择用户按钮,选择文件,并点击ok(见图11)。
图11分析表面板
看x-z平面一最小坐标的的2维画图(通过堰中心,接近对称平面),点击生成。
图形在显示(Displaytab)表中自动显现。
也可看3维图。
为了看运行的结果,将小时刻滑钮滑到最小,大时刻滑钮滑到最大。
点击生成。
流体缓慢加速,落到下游的堰中。
最终,由于流体惯性而与堰壁分离。
事实上,流体开始时,有一些动力在起作用,而不在咱们模型中。
换句话说,闸门被打开,水库水位高度增加,等等。
图12初始结构.
Variation:
AddAdditionalFluidRegionandInitializeFluidVelocity修改:
增加另外的流体域及初始流体速度
因为,本问题中,咱们的目标是检查流过堰的恒定流,咱们要选择初始条件,使堰流达到稳固条件尽可能快些。
因此,咱们要增加另外流体域,使水流过堰,而不是与堰接触。
图13显示了其结构。
咱们也要设定一个x方向的流体速度使流体流过,而不是细流。
这些初始条件不是非自然的,你会发觉以这种方式流过堰的流体与自然流动不同。
图13附加构造
为了对照本设置的计算结果与以前的不同,在“Navigatortab”关闭后,在文件菜单下选择添加模拟在增加一个拷贝。
取名为“Hydraulics2”,并保留。
点击添加流体,编辑域对话框显现(见图14),在堰外侧添加矩形流体域。
图14添加流体面板
在编辑域对话框,设置x-low为0,x-high为,y-low为-5,y-high为,z-low为,z-high为。
对话框见图14,点击ok。
在流体初始状态,设置u-velocity(在x方向)为20。
这将促使流体流过堰。
此刻,点击总信息表“Generaltab”,在注释栏添加“3Regions”题目。
在文件菜单下,点击保留模拟选项以保留修改。
此刻,在模拟菜单下点击预处置来检查模型。
当预处置终止,你能够检查。
点击分析表单,选择打开结果文件项来打开flow3d结果文件对话框。
维持用户化按钮按下,找到结果文件。
在2-d表,点击x-z平面按钮,设置y范围滑条包括整个区域。
这将会创建所有y平面的x-z图形。
点击“render”,打开显示表(displaytab)中的图形。
此刻,回到分析表,并打开3d表,在“ISO-surface”下拉框,设置为显示“fractionoffluid”。
点击生成,在“displaytab”表中显示结果。
当显示结果中意后,运行flow3d求解器。
本问题运行时刻小于2分钟。
当求解完成运行,看看你的分析结果,通过点击标签,打开flow3d结果对话框。
随着自概念单项选择按钮(Custom)选择,找到并选择该文件。
点击确信。
会打开面板含一维,二维和3-D选项。
你可能想看看的2–D图形,在最低Y在XZ平面坐标(这是通过堰中心,靠近对称面)。
选择XZ平面,并设置最小和最大Ÿ滑块到最低值。
然后点击渲染。
AddaNestedBlockforIncreasedAccuracy转变:
为了提高准确度添加嵌套网格
这一转变的目的是要说明,结果的精度在不从头分网格的情形下能够提高。
在大的加速度的部份利用嵌套的网格,能够提高精度,且无明显阻碍求解时刻。
在这种情形下,堰周围的液体及流过地面的液体会有庞大的加速度。
在这些区域采纳嵌套网格来分析问题是个好主意,以更好地分析问题。
可是,为了减少计算时刻,并同时看到了利用嵌套网格,咱们只要一个嵌套网格,如图15所示。
图15单概念嵌套网格
第一,选择“Navigatortab”表,在文件菜单下,选择“AddSimulationCopy”,复制一份原先运行的工程。
在对话框中将它取名为Hydraulics3,并单击文件菜单下或按CRTL-s选项的保留工作区。
点击“Meshing&
Geometry”标签。
咱们将嵌套第二块网格,以便更好地分析水流过堰流动。
这一次,咱们将利用图形的方式创建网格。
在工作区顶部点击负XZ平面图标,见图15。
然后点击工具栏上的创建网格图标(或从网格菜单当选择或按Ctrl-R),按住鼠标左键,单击按钮并绘制出了几个单元,从一个方块左侧,自上而下向堰的顶部右边。
当您松开鼠标按钮时,弹出一个对话框,要求您输入一个网格的数量。
许诺预设数量(1000),因为咱们将修改那个网手动树。
此刻点击图标网再次关闭图形工具。
从创建模式退出后,你能够旋转网格块来看看咱们所作出的修改。
你能够看到,网格块没有足够细,咱们更需要覆盖范围。
此刻,在树结构中,咱们将调整这一新的第二块域-3<
x<
3,0<
Y<
2,5和8<
Z<
请注意,咱们选择了一个范围,而且使求解那个范围会运行更快。
这可能是一个真正的世界性的问题,一个偶数嵌套网可能被利用。
人们或许还需要添加更高的分辨率,以更好地捕捉在放流池底部的薄液层,但可不能在那个地址完成。
在网状树,对2块点击和开放的X,Y,Z方向的分支。
设置X方向范围:
pt1-->
—3,pt2→3。
设置总网格数为12。
此刻设置Y范围:
pt1→0,pt2→5,设置总网格数为10。
最后,设置z方向范围:
pt1→8,pt2→18,将网格总数设为20。
此刻点击Update图标(或选择网>
更新或按Ctrl-U)的刷新网格。
应该显示图所示16。
图16调整网格
关于任何一个嵌套网格和网格边界,连接到或在另一个网块中,用户不需要指定边界条件。
Flow3d在预处置器中会自动概念为“网块”。
此刻,单击常规选项卡,并在说明中追加“嵌套块”题目。
通过单击文件菜单下的模拟选项保留的更改。
此刻,为了检查设置,单击菜单下的模拟仿真预处置选项,在预览模式下运行预处置器。
当预览完成后,检查网格和边界条件。
要检查网格,单击分析选项卡,打开flow3d结果对话框。
按下单项选择按钮,然后选择文件。
点击确信,在显示选项卡上查看网格图形。
要检查边界条件,点击flow3D菜单栏中点击“Diagnostics”菜单,选择预处置报告(PreprocessorReport)。
每一个网块体边界条件类型将显示。
当您对设置感到中意,单击运行菜单下的模拟运行flow3d三维求解器。
由于大量的单元,它可能需要长达10分钟完成。
随着自概念单项选择按钮选择,找到并选择该文件。
通过选择2-D和3-D按钮,多块能够被观看到。
RunasaTwo-FluidProblem转变:
作为双流体问题运行。
通常,当两流体模型(例如,还模拟空气的流动)是需要的,用户不明白何时利用自由表面模型(一尖锐的界面追踪液体)。
关于这种转变,咱们将在咱们的模型中包含空气,看看会发生什么。
因为你已经通过成立和运行问题好几回,咱们会简化讨论。
第一,选择Navigator选项卡后,在文件菜单下,添加仿真,复制先前运行仿真。
在对话框中将它命名为Hydraulicsair,并单击文件菜单下的模拟或按CRTL-s选项,保留工作区。
在模型成立>
整体(ModelSetup>
Genera),在流体数量中,选择两种流体。
咱们将舍弃自由表面或界面(InterfaceTrackingatFreeSurfaceorSharpInterface),和不可紧缩流模式接口跟踪。
空气是可紧缩流体,在本问题中马赫数()低,因此,假定空气的不可紧缩性是合的。
更改在题目部份追加“空气”,并通过单击文件菜单下的模拟选项的更改保留的第一行题目。
在模型设置>
流体,加载流2空气性质。
高亮度显示的空气温度在15℃,CGS单位,单击加载在流体2。
这将设置第二流体,空气的粘度和密度。
这能够通过扩大的粘度和在左侧属性树验证。
选择菜单下的运行仿真模拟选项运行的问题。
那个问题应该运行在大约4分钟。
当模拟完成后,选择点击文件,看看你的结果进行分析。
你可能想看看在xz平面的二维图在最小Y坐标(通过堰中心,靠近对称面)。
对流体部份设置轮廓变量。
这些照片中的颜色显示每一个单元中的水含量。
补体是空气的一小部份。
请注意,有扩散的水/空气界面和水是进了空气(见图17)。
也有相当高的空气流速。
图16水/空气界面扩散
应当指出,这些结果是没有实际意义的。
要紧问题是,在每一个单元的面,只有一个(混合物)的速度计算。
在现实中,因为流体密度的不同,空气流速和水流速度有着显着不同。
当两流体的密度不同专门大,即由大约超过了10倍以上,这种混合速度可能无法充分反映,因为在同一单元格中,流体流动速度可有专门大不同。
因此,流体之间的滑移条件不能准确模拟,这可能致使一个不正确的流体界面运动。
底线是,当两个液体密度不同个专门大,两流体模型是不准确的(许多其他的CFD软件包,采纳自由表面问题进行处置,这是唯一的方式)。
为了模拟自由表面问题更准确,flow3d利用一个真正的三维VOF方式,适当运动的流体(在这种情形下水),维持锋利的界面,而且不计算空区域(空气)的动力。
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