FLUENT明渠边界应用

FLUENT的VOF模型中，包含有明渠流动（Open Channel Flow）选项，同时含包含有造波边界（Open Channel Wave BC），用户还可以使用Numerical Beach选项进行边界消波处理。想深入了解此功能的童鞋们，可以查看fluent文档。这里我们以一个简单的实例来说明这三个选项的使用方法。

1、问题描述

这里方便起见，以2D问题为例。水深2.7m，长度20m，水面标高0m。计算域如图1所示。设置左侧面为速度入口边界，速度v=0.5m/s，右侧面为自由出流边界。采用open channel wave BC边界需要设定入射波。本问题中，设定波高0.4m，波长2m，波头角0°，相位角-270°。

图1 问题描述

2、在workbench中建立模型

启动workbench，拖拽方式加入fluent模块，如图2所示。右键点击A2单元格，选择Properties，在弹出的属性框中设置Analysis Type为2D。双击A2单元格进入DM模块。

图2 加入fluent模块

3、DM中建立几何

选择XYPlane进行草图绘制（注意2D几何必须创建与XY平面上）。进入Sketching标签页，选取合适的草图绘制工具，绘制如图1所示的几何。草图绘制完毕后，选择Concept > Surface From Sketches，选择Base Objects为绘制好的草图，点击Generate创建surface。退出DM模块。

图3 建立surface

4、划分网格

双击图2所示的A3单元格进入mesh模块。为计算域划分网格。在树形菜单上点击右键，选择insert > Mapped Face Meshing，选择几何体，采用map方式划分网格。

右键点击mesh，选择子菜单 insert > sizing，选择几何，设置element size为0.1。

右键点击mesh，选择子菜单Generate mesh，生成网格。

选择左侧边，点击右键，选择Create named selection，设置边界名称为velocity_inlet。如图4所示。同样操作设置右侧边界名称为outfow。设置上边界名称为walls_top，设置底部边界名称为walls_bottom（这里命名遵循一定规则的话，导入至fluent会自动识别边界类型，否则需要人工指定边界类型）。

图4 指定边界名称

退出mesh模块。右键点击A3单元格，选择Update以更新数据。

5、进入FLUENT，设置general项设置

双击图2中的A4单元格，进入FLUENT设置。选择Double Precision（双精度）计算。

这里不需要进行scale操作，设置Generate中Time为transient（瞬态计算），勾选Gravity项，设置重力加速度方向为Y轴-9.81。如图5所示。

图5 General设置

6、设置VOF

进入Models项，选择MultiPhase，点击Edit按钮，设置多相流。进行如图6所示设置。

图6 设置VOF模型

7、设置湍流模型

选择RNG k-epsilon模型，选用scalable wall function。如图7所示。

图7 设置湍流模型

8、添加材料水

进入material项，添加水至材料清单中。（此步太基础，篇幅所限，略去）

9、设置Phases

进入Phases项，设置空气为主相，水为第二相。

10、设置计算域属性

进入Cell Zone Conditions项，确保Phases下选择的是Mixture，点击Edit按钮编辑流体域属性。

进入Multiphase标签页，勾选Numerical Beach选项，设置Free Surface Level（自由液面表高）为0，设置Bottom Level（河床标高）为-2.7，设置流动方向x为1，y为0。设置Damping Length Specification为End Point and Wave Lengths，设置End Point（波结束点）为18，wave length（波长）2，number of Wave Length（波数）4，其他采用默认设置。点击OK确认完成计算域设置。

11、边界条件设置

主要设置入口边界与出口边界。进入Boundary Conditions项，选择Velocity_inlet，可以看到，fluent自动匹配边界类型为velocity inlet。确保phase选择为mixture，点击Edit进入边界条件编辑。

勾选Open Channel Wave BC，设置入口速度Uniform Flow Velocity Magnitude为0.5m/s，设置湍流强度2%，水力直径5.4m。如图8所示。

图8 边界条件设置

进入Multiphase标签页，设置参数如图9所示。这些参数说明可以详见FLUENT帮助文档。

图9 多相流设置

Outflow边界采用默认设置即可。

12、其他需要设置的内容

瞬态计算，用户可以设置在Calculation Activities中设置自动保存以及动画。

13、初始化

选择velocity_inlet边界进行初始化，同时patch水位线以下部分为水。

选择Adapt > Regions，如图10进行设置，点击Mark按钮标记单元。

图10 标记单元

点击Solution Initialization项中的Patch按钮，如图11进行设置。点击patch按钮。

图11 patch操作

14、进行计算

进入Run Calculation项，设置Time Step Size为0.01s，设置number of Time Step为1000，其他采用默认设置。点击Calculate进行计算。

15、总结

（1）FLUENT只能创建浅波，波高与水深的比值有上限，可以查阅理论文档。本例不一定满足条件。

（2）可以在numerical beach中设置波的数量。

（3）利用不同wave theory可以创建不同的波型，具体理论参阅fluent theory guide。