水利工程論文-ANSYS熱分析模塊分析滲流場(chǎng)問(wèn)題的探究摘要：本文分析了溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)的基本理論、微分方程、初始條件和邊界條件的相似性，為后續(xù)利用ANSYS的熱分析模塊來(lái)求解滲流問(wèn)題提供了依據(jù)。通過(guò)計(jì)算黑河金盆大壩0+225主斷面的在正常蓄水位下的流場(chǎng)分布情況，驗(yàn)證了熱分析模塊對(duì)滲流分析結(jié)果的可行性與正確性。關(guān)鍵詞：ANSYS熱分析滲流場(chǎng)溫度場(chǎng)GEO-SEEPWANSYS是一種應(yīng)用十分廣泛的通用的成熟的完備的有限元工程分析軟件。它具有多種多樣的分析能力，從簡(jiǎn)單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)分析，除此之外還有方便用戶設(shè)計(jì)的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言和產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)等附加的功能。1ANSYS軟件能夠提供的分析類型有：結(jié)構(gòu)靜力分析；結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析；結(jié)構(gòu)非線性分析；結(jié)構(gòu)屈曲分析；電磁場(chǎng)分析；聲場(chǎng)分析；壓電分析；流體動(dòng)態(tài)分析；熱力學(xué)分析。其中熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度(熱能量)等。ANSYS熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種熱傳遞方式。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問(wèn)題。但是沒(méi)有直接可以利用的滲流分析模塊，所以本文提出利用熱分析熱傳導(dǎo)模塊來(lái)分析滲流問(wèn)題。雖然已有比較成熟的滲流分析軟件GEO-SEEPW，但是僅在正分析方面可以應(yīng)用，缺少用戶自定義參數(shù)化語(yǔ)言，不能二次編程，這為滲流參數(shù)設(shè)計(jì)和反分析問(wèn)題帶來(lái)很大限制和不便。ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL）2為設(shè)計(jì)滲流參數(shù)和反分析滲流參數(shù)提供了有力的工具。1滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的理論相似34下面從基本理論、微分方程、初始邊界條件三個(gè)方面來(lái)證明溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)的相似性。1.1理論基礎(chǔ)的相似根據(jù)滲流基本理論可知，對(duì)于多孔介質(zhì)滿足達(dá)西定律：或者（1）其中：滲流量；斷面面積；測(cè)壓管水頭；滲透系數(shù)；滲徑長(zhǎng)度；斷面平均流速；滲透坡降。而對(duì)于熱傳導(dǎo)定律（傅里葉假設(shè)）為：或者（2）其中：熱（流）量；斷面面積；溫度場(chǎng)梯度值；熱傳導(dǎo)熱流強(qiáng)度；傳熱系數(shù)。1.2微分方程相似滲流場(chǎng)微分方程：對(duì)于不可壓縮各項(xiàng)異性非均質(zhì)無(wú)源穩(wěn)定滲流微分方程為：（3）對(duì)于可壓縮各項(xiàng)異性非均質(zhì)非穩(wěn)定瞬態(tài)滲流微分方程為：（4）其中：、方向的滲透系數(shù)；單位貯存量。溫度場(chǎng)微分方程：對(duì)于無(wú)熱源的各項(xiàng)異性非均質(zhì)穩(wěn)定熱傳導(dǎo)微分方程為：（5）對(duì)于無(wú)熱源的各項(xiàng)異性非均質(zhì)瞬態(tài)熱傳導(dǎo)微分方程為：（6）其中：、方向的熱傳導(dǎo)傳熱系數(shù)；比熱。1.3初始條件與邊界條件的相似滲流場(chǎng)的初始條件：（7）熱傳導(dǎo)溫度場(chǎng)的初始條件：（8）第一類邊界條件：滲流場(chǎng)（9）溫度場(chǎng)（10）其中：、時(shí)刻點(diǎn)的測(cè)壓管水頭值和溫度值；、邊界上給定的已知測(cè)壓管水頭和溫度函數(shù)；邊界上的點(diǎn)。第二類邊界條件：滲流場(chǎng)（11）溫度場(chǎng)（12）其中：、沿邊界法線方向的滲透系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)；、滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)沿邊界法線方向的梯度值；、邊界上給定的已知流速和熱流強(qiáng)度函數(shù)；邊界上的點(diǎn)。在不透水邊界和絕熱邊界上，則有：和。位函數(shù)特征參數(shù)源強(qiáng)滲流場(chǎng)測(cè)壓管水頭滲透系數(shù)單位貯存量SS外滲強(qiáng)度溫度場(chǎng)溫度傳熱系數(shù)比熱熱生產(chǎn)率表1ANSYS中滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)各種相應(yīng)量比較2實(shí)例驗(yàn)證為了驗(yàn)證熱分析模塊對(duì)滲流問(wèn)題分析的可行性和正確性，本文利用西安市金盆水利樞紐工程（大（II）型二等工程，粘土心墻土石壩）為例。該工程位于西安市的周至縣境內(nèi)，壩址距周至縣城約13km。工程以城市供水為主，兼有農(nóng)田灌溉結(jié)合防洪、發(fā)電等綜合利用。樞紐工程由攔河壩、泄洪洞、引水洞、溢洪洞和壩后電站及古河道防滲組成。大壩為粘土心墻砂礫石壩，最大壩高130.00m，壩頂高程600.00m。壩頂長(zhǎng)度440m，寬11m，最大壩底寬度524m，水庫(kù)總庫(kù)容2.0億m3，有效庫(kù)容1.774億m3，大壩屬1級(jí)水工建筑物。砂卵石壩殼的滲透系數(shù)為2.610-3cm/s，反濾層的滲透系數(shù)為1.010-5cm/s，粘土心墻的滲透系數(shù)為1.010-7cm/s，正常蓄水位594m，下游為490m。大壩0+225橫斷面（如圖1）。根據(jù)壩體材料的不同，將壩體分為五個(gè)部分，分別為：上游壩殼、心墻上游反濾層、心墻、心墻下游反濾層和下游壩殼，可以建立ANSYS幾何模型（如圖2）。由于邊界條件比較復(fù)雜，本文選用三節(jié)點(diǎn)三角形單元PLANE35。節(jié)點(diǎn)總數(shù)為3456，單元總數(shù)為1643。圖10+225橫斷面圖圖2ANSYS幾何模型圖對(duì)于浸潤(rùn)線的求法，本文利用ANSYS中的生死單元技術(shù)來(lái)確定。（1）首先假設(shè)浸潤(rùn)線上下的土體滲透系數(shù)一樣，利用/solu求出各點(diǎn)的總水頭。（2）利用get命令求得各單元節(jié)點(diǎn)上的測(cè)壓管水頭，并與各單元節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值（高程）比較。如果測(cè)壓管水頭小于坐標(biāo)值，說(shuō)明該點(diǎn)于浸潤(rùn)線以上，殺死該單元。找出所有浸潤(rùn)線以上單元，將其殺死。（3）重新加載邊界條件并計(jì)算。（4）重復(fù)2、3步，直至各點(diǎn)的水頭變化很小。迭代計(jì)算中，有可能需要激活己殺死的單元。由于這種“死活”單元技術(shù)的基本對(duì)象是單元，因此，若希望足夠精度和足夠光滑的浸潤(rùn)線，網(wǎng)格劃分必須足夠密，但是相應(yīng)的計(jì)算量就也增大，或者采用ANSYS的網(wǎng)格自適應(yīng)功能在浸潤(rùn)線附近以及水頭變化較大區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。圖3等勢(shì)圖圖4流速矢量圖利用ANSYS的后處理結(jié)果查看模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的圖形化和具體數(shù)值化查看。圖3和圖4分別為三角形土壩計(jì)算結(jié)果的等勢(shì)圖和流速矢量圖。對(duì)于數(shù)值化查看就要使用*GET等讀取ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)的命令進(jìn)行操作。3