Fluent軟件在VOF模型中的應用

摘要：簡要介紹FLUENT軟件，回顧其在流場計算中的應用。以電站進水口、寬尾墩和階梯溢流壩、雙彎曲型溢洪道3類工程項目為例，敘述該軟件在水利工程中的應用情況。針對水利工程問題邊界復雜、水氣混摻、自由面較多的特點，分析模型建體、自由面處理和網格劃分等主要問題，并采用與模擬形狀基本相同的體型、網格線與水流方向基本一致、邊界位置遠離紊動劇烈區域的方法予以解決。數值模擬表明，FLUENT軟件可以處理復雜體型和具有多個自由面的水汽二相流VOF模型問題。

關鍵詞：FLUENT軟件 水利工程 數值模擬 水氣二相流

引言

近年來，隨著計算機性能的提高和數值計算方法的改進。目前已開發多種CFD商業軟件，相比而言，FLuENT軟件的功能更全面，適用性也更廣，它將不同領域的計算軟件組合起來，成為CFD計算機軟件群，包括前處理、數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。從現有的研究成果來看，FLUENT軟件的應用主要針對空氣流場。田械等模擬了地鐵專用軸流風機的內部流場;李磊等模擬了兩種風向條件下街區風速分布；楊偉等計算了大氣邊界層中單棟高層建筑的定常風流場;趙琴川對空調室內的溫度場進行了數值模擬。

1.FLUENT軟件在VOF模型中的應用現狀

fLUENT軟件在水流流場中的應用不同于單純的空氣流場。水利工程問題邊界復雜，水氣混摻，存在多個自由水面，需要采用二相流VOF模型，數值模擬的成果還不多。salaheldin等對垂直圓墩周圍的三維流場進行了數值模擬;劉加海等在水槽中對二維規則波進行了數值模擬;韓龍喜等在環形水槽中對三維流場進行了數值模擬。刁明軍等采用VOF法對挑流消能從庫區到下游水墊塘進行了水氣二相流數值模擬，得到射流的空中軌跡線、水墊塘的自由水面和計算域的壓力、流速、紊動能及紊動能耗散率分布。楊忠超等]結合向家壩水電工程，采用voF法。紊流模型對多股多層水平淹沒射流進行三維數值模擬，得出中孔和表孔聯合泄洪時消力池的流速和紊動能分布。近期的研究課題所涉及的研究體型更復雜，科研課題和工程實際結合得更緊密，開始運用并行機計算。

2.典型算例

目前，FLUENT軟件在VOf中的應用已逐步展開，數值模擬同試驗研究相比，具有成本低、方案變化快、無測量儀器干擾、無比尺效應和數據信息完整等優勢，可作為模型試驗的有力補充，如進水口模型試驗在高水位時，無法用常規儀器測量進口周圍的流速，而數值計算則可得到全域流場特性。本文結合典型工程算例，就復雜水氣交界面的處理、模型建體和網格劃分等問題作詳細介紹。

2.1立軸旋渦

2.1.1特點

庫區周圍地形復雜，進水口前出現吸氣立軸旋渦，呈倒圓錐體形，存在很難求解的旋轉自由水面；旋渦具有游離性，上半部曲線斜率變化大，水流方向從水平迅速轉向豎直，渦尾處尺度遠小于周圍水體，三維數值模擬尚未見報道。

2.1.2存在問題

在VOF模型試驗中，出現了間隙性吸氣旋渦。在計算機中重現立軸旋渦，主要存在以下問題:①模擬區域大。模擬范圍包括部分庫區、引水渠、進水口和有壓隧洞。②天然地形對流場影響明顯。庫區地形復雜，對旋渦產生與否存在直接影響，需要輸入足夠多的斷面資料。③數據工作量大。

2.1.3解決措施

天然地形的建體，如果在GAMBIT中采用逐一輸點、點連成線、線形成面、面構成體的方法，將是一項相當繁瑣的工作，而且容易出錯。為了提高建體的效率和準確性，先采用Autolisp語言對AutocAD進行二次開發，從電子地形圖中讀出斷面資料，并生成數據文件，然后采用FORTRAN語言對斷面數據進行編程處理，產生與Gambit所對應的語句，即可完成天然地形的建模工作。

由于VOF模型根據網格中水和氣的體積分數來決定水氣交界面的位置，水面線的尺寸與網格的間距密切相關，交界面附近的網格過稀，如網格節點沿水面法線方向的間距為lm，則計算的水面線位置至少有0.5m的誤差，直接影響流場的壓力和流速特性。在沒有立軸旋渦的區域，庫水位為水平面，只需對水面線上下各0.2m的范圍采用0.05m間距加密，即可很好地確定水面的位置。然而，旋渦區的網格加密則沒有如此簡單。由于立軸旋渦的尺度很小，需對產生旋渦的位置進行重點加密，使網格節點的間距小于渦尾的尺寸，才能準確地再現旋渦的形狀；此外，旋渦具有游離性，加密區域難于確定，如果區域過大，必然增加計算網格，使得數值模擬速度快的優勢蕩然無存，因此需要先對未加密的網格進行計算，確定產生旋渦的位置，然后在此基礎上進行加密。

3.結語

作為一種應用廣泛的流體力學軟件，FLUENT軟件在VOF模型中的應用正逐步展開。水氣交界面的網格構造是建體的關鍵，除網格密度要求外，建議網格線與水流方向一致，對于立軸旋渦這類體型特殊的情況，需要構造與旋渦形狀基本相同的體型。出口邊界選擇水氣混摻劇烈、紊動尚未充分發。

參考文獻：

[1]李勇，劉志友，安亦然.介紹計算流體力學通用軟件 [J].水動力學研究與進展，2001，

[2]劉霞，葛新鋒.FLUENT軟件及其在我國的應用〔J〕.能源研究與利用，2003

[3] 王福軍.計算流體動力學分析——CDF軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社

作者簡介：

黃飛（1985- ）男，碩士，江蘇揚州人，主要從事新能源及儀器應用及故障檢測。