水力學(xué)數(shù)值分析研究綜述

陳鐳

【摘要】隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，水力學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合增強(qiáng)了解決水力學(xué)疑難問(wèn)題的能力。數(shù)值模擬軟件是理論研究成果與實(shí)際工程相結(jié)合的計(jì)算水力學(xué)商業(yè)軟件的杰出代表之一。本文首先介紹了數(shù)值模擬軟件的一些特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，然后總結(jié)了它在水力學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了它具有計(jì)算快速、簡(jiǎn)捷、方便等優(yōu)點(diǎn)，最后對(duì)數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】數(shù)值模擬軟件；水力學(xué)；計(jì)算機(jī)模擬；CFD

1、計(jì)算機(jī)模擬作為水力學(xué)研究的手段之一

具有以下優(yōu)點(diǎn)：費(fèi)用低廉，而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，這一優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越突出；省時(shí)高效；可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種復(fù)雜物理?xiàng)l件下流場(chǎng)的真實(shí)和全域的模擬；也可實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)下的模擬，比如可以將某一現(xiàn)象單獨(dú)隔離開(kāi)來(lái)進(jìn)行研究；與物理模型試驗(yàn)只能針對(duì)某些點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)相比，計(jì)算機(jī)模擬所提供的信息量大而豐富。隨著計(jì)算機(jī)功能的不斷完善與提高，水力學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合將極大的增強(qiáng)解決疑難問(wèn)題的能力。水力學(xué)模型的進(jìn)步、流場(chǎng)可視化技術(shù)的發(fā)展以及水力信息學(xué)的普及應(yīng)用，都是這方面的體現(xiàn)。加強(qiáng)水力學(xué)的算法研究和軟件開(kāi)發(fā)，把計(jì)算機(jī)和水力學(xué)密切結(jié)合起來(lái)，已成為現(xiàn)代水力學(xué)研究的重要任務(wù)之一。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD）作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科逐漸成為流體力學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)的熱門(mén)研究?jī)?nèi)容，且發(fā)展日趨成熟。在這一趨勢(shì)下，將理論研究成果與實(shí)際工程相結(jié)合的CFD商業(yè)軟件應(yīng)運(yùn)而生，F(xiàn)LUENT便是其中的杰出代表。FLUENT軟件的設(shè)計(jì)基于“CFD軟件群”思想，可針對(duì)各種不同流動(dòng)的特點(diǎn)，采用最佳的數(shù)值解法，在計(jì)算速度、穩(wěn)定性、精度等方面達(dá)到優(yōu)化組合，從而高效地解決各領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問(wèn)題，準(zhǔn)確模擬流動(dòng)、傳熱和化學(xué)反映等物理現(xiàn)象。1FLUENT軟件簡(jiǎn)介

FLUENT公司在CFD商用軟件，市場(chǎng)上占有領(lǐng)導(dǎo)地位，其市場(chǎng)占有達(dá)40%左右。FLUENT軟件的功能很全面，適用性也很廣，它將不同領(lǐng)域的計(jì)算軟件組合起來(lái)，成為CFD計(jì)算機(jī)軟件群，包括前處理、數(shù)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(jì)算中的前處理器，F(xiàn)LUENT是求解器的一種。對(duì)于模擬復(fù)雜流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的不可壓縮或可壓縮流動(dòng)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)LUENT是很理想的軟件。對(duì)于不同的流動(dòng)類(lèi)型，還可以應(yīng)用FLUENT提供的其它專(zhuān)業(yè)求解器。

2、數(shù)值模擬軟件在水力學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

FLUENT軟件于1998年進(jìn)人中國(guó)市場(chǎng)。FLUENT軟件在我國(guó)應(yīng)用的也很廣泛。FLUENT軟件在空氣流場(chǎng)中的應(yīng)用已比較成熟。田鋮等模擬了地鐵專(zhuān)用軸流風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)；李磊等模擬了兩種風(fēng)向條件下街區(qū)風(fēng)速分布和CO質(zhì)量濃度的分布情況；楊偉等計(jì)算了大氣邊界層中單棟高層建筑的定常風(fēng)流場(chǎng)；趙琴對(duì)空調(diào)室內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。 FLUENT軟件在水流流場(chǎng)中的應(yīng)用不同于單純的空氣流場(chǎng)。水利工程問(wèn)題邊界復(fù)雜，水氣混摻，存在多個(gè)自由水面，需要采用二相流模型，計(jì)算機(jī)模擬的成果還不多。Salaheldin等對(duì)垂直圓墩周?chē)娜S流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬；劉加海等在水槽中對(duì)二維規(guī)則波進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬；韓龍喜等在環(huán)形水槽中對(duì)三維流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。Chen等采用雙方程紊流模型，對(duì)階梯溢流壩流場(chǎng)進(jìn)行了三維紊流計(jì)算機(jī)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(chǎng)特性。刁明軍等采用VOF法對(duì)挑流消能從庫(kù)區(qū)到下游水墊塘進(jìn)行了水氣二相流計(jì)算機(jī)模擬，得到射流的空中軌跡線、水墊塘的自由水面和計(jì)算域的壓力、流速、紊動(dòng)能及紊動(dòng)能耗散率分布。楊忠超等結(jié)合向家壩水電工程，采用VOF法和RNG紊流模型對(duì)多股多層水平淹沒(méi)射流進(jìn)行三維計(jì)算機(jī)模擬，得出中孔和表孔聯(lián)合泄洪時(shí)消力池的流速和紊動(dòng)能分布。陳云良等根據(jù)某電站進(jìn)水口1：50模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)進(jìn)水口流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，研究來(lái)流、復(fù)雜地形邊界等對(duì)進(jìn)水口流態(tài)的影響。張挺等對(duì)索風(fēng)營(yíng)電站X形寬尾墩和階梯溢流壩聯(lián)合消能的三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(duì)小南海水庫(kù)雙彎曲型溢洪道原型流場(chǎng)進(jìn)行三維計(jì)算機(jī)模擬，得出溢洪道沿程水面線和速度等重要水力參數(shù)。葉茂等結(jié)合典型工程算例，就復(fù)雜水氣交界面的處理、模型建體和網(wǎng)格劃分等問(wèn)題作詳細(xì)介紹。羅挺等以win-dows2000操作系統(tǒng)和通用CFD軟件工具FLUENT為基礎(chǔ)，研究構(gòu)建了不同的并行計(jì)算硬件平臺(tái)的力法，計(jì)算了典型的山谷污染物擴(kuò)散過(guò)程的湍流流場(chǎng)?？梢?jiàn)，F(xiàn)LUENT軟件在水力學(xué)中的應(yīng)用已逐步展開(kāi)，計(jì)算機(jī)模擬同試驗(yàn)研究相比，具有成本低、方案變化快、無(wú)測(cè)量?jī)x器干擾、無(wú)比尺效應(yīng)和數(shù)據(jù)信息完整等優(yōu)勢(shì)，可作為模型試驗(yàn)的有力補(bǔ)充，如進(jìn)水口模型試驗(yàn)在高水位時(shí)，無(wú)法用常規(guī)儀器測(cè)量進(jìn)口周?chē)牧魉?，而?shù)值計(jì)算則可得到全域流場(chǎng)特性。另外，由于其減少了研究者在計(jì)算方法、編程、前后處理等方而投入的重復(fù)、低效的勞動(dòng)，將更多的精力和時(shí)間投入到考慮問(wèn)題的物理本質(zhì)，優(yōu)化算法選用，參數(shù)的設(shè)定，因而提高了工作效率，其必然會(huì)獲得越來(lái)越多的應(yīng)用，應(yīng)用效果也必將越來(lái)越好。

3、結(jié)論與展望

通過(guò)總結(jié)數(shù)值模擬軟件在水力學(xué)中的應(yīng)用形狀，我們可以知道，數(shù)值模擬軟件應(yīng)用于水流的計(jì)算機(jī)模擬，能取得和實(shí)驗(yàn)很接近的結(jié)果，并且有計(jì)算快速、簡(jiǎn)捷、方便的優(yōu)點(diǎn)。它不僅能給出反映水流運(yùn)動(dòng)總體特性的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如流速、壓強(qiáng)等，而且可以方便地計(jì)算出各項(xiàng)水流參數(shù)的全場(chǎng)分布，能給出相關(guān)流場(chǎng)的具體信息。

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