水力學數值分析研究綜述

陳鐳

【摘要】隨著計算機技術的迅速發展，水力學與計算機技術的有機結合增強了解決水力學疑難問題的能力。數值模擬軟件是理論研究成果與實際工程相結合的計算水力學商業軟件的杰出代表之一。本文首先介紹了數值模擬軟件的一些特點及應用領域，然后總結了它在水力學中的應用現狀，指出了它具有計算快速、簡捷、方便等優點，最后對數值模擬軟件的應用進行了展望。

【關鍵詞】數值模擬軟件；水力學；計算機模擬；CFD

1、計算機模擬作為水力學研究的手段之一

具有以下優點：費用低廉，而且隨著計算機技術的飛速進步，這一優點越來越突出；省時高效；可實現對多種復雜物理條件下流場的真實和全域的模擬；也可實現理想狀態下的模擬，比如可以將某一現象單獨隔離開來進行研究；與物理模型試驗只能針對某些點進行量測相比，計算機模擬所提供的信息量大而豐富。隨著計算機功能的不斷完善與提高，水力學與計算機技術的有機結合將極大的增強解決疑難問題的能力。水力學模型的進步、流場可視化技術的發展以及水力信息學的普及應用，都是這方面的體現。加強水力學的算法研究和軟件開發，把計算機和水力學密切結合起來，已成為現代水力學研究的重要任務之一。

近年來，隨著計算機技術的迅速發展，計算流體動力學（ComputationalFluidDynamics，CFD）作為一門獨立的學科逐漸成為流體力學和應用數學的熱門研究內容，且發展日趨成熟。在這一趨勢下，將理論研究成果與實際工程相結合的CFD商業軟件應運而生，FLUENT便是其中的杰出代表。FLUENT軟件的設計基于“CFD軟件群”思想，可針對各種不同流動的特點，采用最佳的數值解法，在計算速度、穩定性、精度等方面達到優化組合，從而高效地解決各領域的復雜流動計算問題，準確模擬流動、傳熱和化學反映等物理現象。1FLUENT軟件簡介

FLUENT公司在CFD商用軟件，市場上占有領導地位，其市場占有達40%左右。FLUENT軟件的功能很全面，適用性也很廣，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。FLUENT軟件要包括GAMBIT和FLUENT。其中GAMBIT是CFD計算中的前處理器，FLUENT是求解器的一種。對于模擬復雜流場結構的不可壓縮或可壓縮流動來說，FLUENT是很理想的軟件。對于不同的流動類型，還可以應用FLUENT提供的其它專業求解器。

2、數值模擬軟件在水力學中的應用現狀

FLUENT軟件于1998年進人中國市場。FLUENT軟件在我國應用的也很廣泛。FLUENT軟件在空氣流場中的應用已比較成熟。田鋮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和CO質量濃度的分布情況；楊偉等計算了大氣邊界層中單棟高層建筑的定常風流場；趙琴對空調室內的溫度場進行了計算機模擬。 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，需要采用二相流模型，計算機模擬的成果還不多。Salaheldin等對垂直圓墩周圍的三維流場進行了計算機模擬；劉加海等在水槽中對二維規則波進行了計算機模擬；韓龍喜等在環形水槽中對三維流場進行了計算機模擬。Chen等采用雙方程紊流模型，對階梯溢流壩流場進行了三維紊流計算機模擬，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特性。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計算機模擬，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法和RNG紊流模型對多股多層水平淹沒射流進行三維計算機模擬，得出中孔和表孔聯合泄洪時消力池的流速和紊動能分布。陳云良等根據某電站進水口1：50模型試驗結果，對進水口流場進行了計算，研究來流、復雜地形邊界等對進水口流態的影響。張挺等對索風營電站X形寬尾墩和階梯溢流壩聯合消能的三維流場進行數值計算，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。周勤等對小南海水庫雙彎曲型溢洪道原型流場進行三維計算機模擬，得出溢洪道沿程水面線和速度等重要水力參數。葉茂等結合典型工程算例，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。羅挺等以win-dows2000操作系統和通用CFD軟件工具FLUENT為基礎，研究構建了不同的并行計算硬件平臺的力法，計算了典型的山谷污染物擴散過程的湍流流場。可見，FLUENT軟件在水力學中的應用已逐步展開，計算機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。另外，由于其減少了研究者在計算方法、編程、前后處理等方而投入的重復、低效的勞動，將更多的精力和時間投入到考慮問題的物理本質，優化算法選用，參數的設定，因而提高了工作效率，其必然會獲得越來越多的應用，應用效果也必將越來越好。

3、結論與展望

通過總結數值模擬軟件在水力學中的應用形狀，我們可以知道，數值模擬軟件應用于水流的計算機模擬，能取得和實驗很接近的結果，并且有計算快速、簡捷、方便的優點。它不僅能給出反映水流運動總體特性的各項運動參數，如流速、壓強等，而且可以方便地計算出各項水流參數的全場分布，能給出相關流場的具體信息。

參考文獻：

[1]余舜京，徐田榮，鄒維日.CFD大型軟件系統分布式并行處理模型研究[J].空氣動力學學報，2002，20：112-116.

[2]何有世，袁壽其，王大承.計算流體力學（CFD）中的迭代法及其并行計算方法[J].中國安全科學學報，2002，12（3）：42-46.

[3]吳望一.流體力學[M].北京：北京大學出版社，1982.

[4]田鋮，張歡，由世俊，等.利用FLUENT軟件模擬地鐵專用軸流風機的內部流場（一）：對稱翼葉片軸流風機[J].流體機械，2003，31（11）：13-15.