5.3水流對沙灘沖刷過程的數(shù)值模擬5.3.1案例簡介本案例是對水流沖刷沙灘過程的氣固液三相流進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖5-3-1所示，這是一個(gè)簡化的二維模型，區(qū)域總長度為2000mm,總高度為500mm,下半部為一傾斜的沙子區(qū)域。水流從左上角的100mm高的進(jìn)口流入，進(jìn)入?yún)^(qū)域沖刷沙子，然后從右側(cè)500mm高的出口流出。通過模擬，可清楚的看到水流對沙灘的沖刷過程，已經(jīng)氣固液三相的分布情況。圖5-3-1水流沖刷模型5.3.2Fluent求解計(jì)算設(shè)置1．啟動(dòng)Fluent-2D（1） 雙擊桌面Fluent14.0圖標(biāo)，進(jìn)入啟動(dòng)界面。（2） 選中Dimension—2D單選按鈕，取消對DisplayOptions下的三個(gè)復(fù)選按鈕的選擇。（3） 其它保持默認(rèn)設(shè)置即可，單擊OK按鈕進(jìn)入Fluent14.0主界面窗口。2．讀入并檢查網(wǎng)格（1）執(zhí)行菜單欄中的File—Read—Mesh命令，在彈出的SelectFile對話框中讀入convection.msh二維網(wǎng)格文件。（2）執(zhí)行菜單欄中的Mesh—Info—Size命令，得到如圖5-3-3所示的模型網(wǎng)格信息：共有14342個(gè)節(jié)點(diǎn)，28411個(gè)網(wǎng)格面，14070個(gè)網(wǎng)格單元。（2）執(zhí)行菜單欄中的Mesh—Check命令。反饋信息如圖5-3-4所示，可以看到計(jì)算域三維坐標(biāo)的上下限，檢查最小體積和最小面積是否為負(fù)數(shù)。MeshSizeLeuelCellsFacesNodesPartitions014070284111434212cellzones,8facezones圖5-3-3網(wǎng)格數(shù)量信息DomainExtents:x-coordinate:min(m)=0.OOOOOOe+OQ,max(m)=2.0OO00Oe+OOy-coordinate:min(m)=0.OOOOOOe+OO,max(m)=5-0O0000e-O1Uolumestatistics:minimummaximumtotalFaceareauolume(m3):uolume(m3):uolume(m3):statistics:minimummaximumtotalFaceareauolume(m3):uolume(m3):uolume(m3):statistics:3?333241e-059.937896e-051.O8fteOOe+d0minimumFacearea(m2):3?33333(Je—(J3maximumfacearea(m2):1.O000O2e-02Checkingmesh Done?圖5-3-4Fluent網(wǎng)格信息3．求解器參數(shù)設(shè)置單擊選擇左邊workspace中ProblemSetup—General命令，在出現(xiàn)的General面板中進(jìn)行求解器的設(shè)置。General面板中，開啟重力加速度。單擊選中Gravity復(fù)選按鈕，Y(m/s2)文本框輸入-9.8,Time下選中Transient單選框，其它求解參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置，如圖5-3-6所示。圖5-3-6圖5-3-6求解參數(shù)設(shè)置單擊選擇ProblemSetup—Model命令，對求解模型進(jìn)行設(shè)置，如圖5-3-7所示。雙擊Models—Viscous-Laminar選項(xiàng)(或選中Viscous-Laminar,然后點(diǎn)擊Edit)，打開ViscousModel窗口。在彈出的窗口中，Model下選擇k-epsilon(2eqn)單選按鈕，其他保持默認(rèn)，如圖5-3-8所示，單擊OK按鈕，啟動(dòng)k-e湍流方程。

圖5-3-7計(jì)算模型選擇圖圖5-3-7計(jì)算模型選擇圖5-3-8湍流模型選擇(7)再次回到Models面板，雙擊Multiphase-off選項(xiàng)，打開MultiphaseModel窗口。單擊選中Model下Eulerian單選按鈕，NumberofEulerianPhases設(shè)置為3，如圖5-3-9所示，單擊OK完成設(shè)置。圖5-3-9多相流模型選擇4．定義材料物性單擊選擇ProblemSetup—Materials命令，在出現(xiàn)的Materials面板中對所需材料進(jìn)行設(shè)置，如圖5-3-10所示。雙擊面板中的Materials—Fluid選項(xiàng)，彈出材料物性參數(shù)設(shè)置對話框，如圖5-3-11所示。材料物性參數(shù)設(shè)置對話框中，單擊FLUENTDatabase按鈕，打開FLUENTDatabaseMaterials窗口，F(xiàn)LUENTFluidMaterials下選擇water-liquid(h2ov1>)選項(xiàng)，如圖5-3-12所示，單擊Copy，復(fù)制水的物性參數(shù)。單擊Change/Create按鈕，保存對水物性參數(shù)的更改，單擊Close關(guān)閉窗口。Name文本框輸入sand，ChemicalFormula清空，Density(kg/m3)設(shè)置為2500，Viscosity(kg/m-s)設(shè)置為10,如圖5-3-13所示，單擊Change/Create按鈕，完成設(shè)置。

圖5-3-10材料選擇面板圖5-3-11空氣物性參數(shù)

圖5-3-12水物性參數(shù)設(shè)置圖5-3-13沙子物性設(shè)置5．兩相屬性設(shè)置(1)單擊選擇ProblemSetup-Phases命令，在出現(xiàn)的Phases面板中對所需材料進(jìn)行設(shè)置，如圖5-3-14所示。(2)雙擊Phases下phase-1-PrimaryPhase選項(xiàng)，打開PrimaryPhase窗口，Name中輸入air，PhaseMaterial右側(cè)下拉菜單選擇air選項(xiàng)，如圖5-3-15所示。(3)雙擊Phases下phase-2-PrimaryPhase選項(xiàng)，打開PrimaryPhase窗口，Name中輸入water，PhaseMaterial右側(cè)下拉菜單選擇water-liquid選項(xiàng)，如圖5-3-16所示。(4)雙擊Phases下phase-3-PrimaryPhase選項(xiàng)，打開PrimaryPhase窗口，Name中輸入sand，PhaseMaterial右側(cè)下拉菜單選擇sand選項(xiàng)，選中Granular復(fù)選按鈕，Properties下Diameter(m)設(shè)置為0.000111,GranularViscosity(kg/m-s)選擇gidaspow選項(xiàng)，GranularBulkViscosity(kg/m-s)選擇lun-et-al選項(xiàng)，PackingLimit設(shè)置為0.6，如圖5-3-17所示，單擊OK。(5)單擊Phases面板中的Interaction按鈕，彈出PhaseInteraction窗口，Drag選項(xiàng)卡下，相之間的拽力都設(shè)置為schiller-naumann選項(xiàng)，如圖5-3-18所示，單擊OK完成設(shè)置。圖5-3-14氣固液相設(shè)置面板圖5-3-15氣相設(shè)置圖5-3-16液相設(shè)置 圖圖5-3-14氣固液相設(shè)置面板圖5-3-15氣相設(shè)置圖5-3-16液相設(shè)置 圖5-3-17沙子設(shè)置圖5-3-18三相間拖拽力設(shè)置6．邊界條件設(shè)置(1)單擊選擇ProblemSetup—BoundaryConditions命令，在打開的BoundaryConditions面板中對邊界條件進(jìn)行設(shè)置，如圖5-3-19所示。圖5-3-19邊界選擇(2)雙擊面板中的Zone—in選項(xiàng)，彈出Velocityinlet窗口，湍動(dòng)能和湍流耗散率都設(shè)置為0.01，如圖5-3-20所示，單擊OK完成設(shè)置。圖5-3-20進(jìn)口邊界條件設(shè)置(4)BoundaryConditions面板中，Phase下方的下拉菜單選擇water選項(xiàng)，單擊Edit按鈕，在彈出的窗口中，速度值設(shè)置為5m/s,如圖5-3-21所示，單擊選擇Multiphase選項(xiàng)卡，設(shè)置進(jìn)口水的體積分?jǐn)?shù)為1，如圖5-3-22所示。

圖5-3-21進(jìn)口速度設(shè)置圖5-3-21進(jìn)口速度設(shè)置圖5-3-22進(jìn)口水體積分?jǐn)?shù)設(shè)置5.3.3求解計(jì)算1．求解控制參數(shù)單擊選擇Solution—SolutionMethods命令，在彈出的SolutionMethods面板中對求解控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。Scheme下選擇Coupled算法，其他保持默認(rèn)設(shè)置，如圖5-3-23所示。2．求解松弛因子設(shè)置(1)單擊選擇Solution—SolutionControls命令，在彈出的SolutionControls面板中對求解松弛因子進(jìn)行設(shè)置。面板中FlowCourantNumber設(shè)置為40,Momentum和Pressure都設(shè)置為0.5,VolumeFraction設(shè)置為0.4，如圖5-3-24所示。圖5-3-23求解方法設(shè)置圖圖5-3-23求解方法設(shè)置圖5-3-24松弛因子設(shè)置3．收斂臨界值設(shè)置(1)單擊選擇Solution—Monitors命令，打開Monitors面板，如圖5-3-25所示。(2)雙擊Monitors面板中Residuals-Print,Plot選項(xiàng)，打開ResidualMonitors對話框energy殘差修改為le-07，其他修改為0.0001，如圖5-3-26所示，單擊OK完成設(shè)置。

圖5-3-25殘差設(shè)置面板圖圖5-3-25殘差設(shè)置面板圖5-3-26修改迭代殘差4．流場初始化設(shè)置(1)單擊選擇Solution—SolutionInitialization命令，打開SolutionInitialization面板。(2)在彈出的SolutionInitialization面板中進(jìn)行初始化設(shè)置，保持默認(rèn)設(shè)置，單擊Initialize完成初始化，如圖5-3-27所示。單擊Patch按鈕，打開Patch窗口，ZonestoPatch和Phase均選擇sand選項(xiàng),Variable下選擇VolumeFraction選項(xiàng)，設(shè)置Value值為1,如圖5-3-28所示，單擊Patch按鈕，完成設(shè)置。圖5-3-27流場初始化設(shè)定圖圖5-3-27流場初始化設(shè)定圖5-3-28流場初始相設(shè)置8．流動(dòng)動(dòng)畫設(shè)置(1)單擊選擇Solution—CalculationActivities命令，中間workspace彈出CalculationActivities面板，AutosaveEvery(TimeSteps)設(shè)置為3,表示每計(jì)算三個(gè)時(shí)間步，保存一次數(shù)

據(jù)，如圖5-3-29所示。（2） 單擊SolutionAnimations—Create/Edit按鈕，彈出SolutionAnimation對話框，設(shè)置AnimationSequences為1,When下拉菜單選擇TimeStep，如圖5-3-30所示。（3） 單擊Define，彈出SequenceParameters窗口，StorageType下選擇InMemory單選按鈕，如圖5-3-31所示。（4） 單擊Set，彈出溫度監(jiān)視窗口FLUENT[2]ANSYSInc；DisplayType下選中Contours單選按鈕，彈出Contours對話框。（5） 在彈出的Contours對話框中，Options下選中Filled復(fù)選按鈕，Contoursof下第一個(gè)下拉菜單選擇Phases選項(xiàng)，Phase下選擇air選項(xiàng)，如圖5-3-32所示，單擊Display。（6） 單擊Display后，溫度監(jiān)視窗口FLUENT[2]ANSYSInc中出現(xiàn)了初始時(shí)刻空氣相圖，如圖5-3-33所示。7）重復(fù)上述操作，完成對初始液相、固相的設(shè)置。圖5-3-29動(dòng)畫設(shè)置17）重復(fù)上述操作，完成對初始液相、固相的設(shè)置。圖5-3-29動(dòng)畫設(shè)置1圖5-3-30動(dòng)畫設(shè)置2圖5-3-31動(dòng)畫設(shè)置3圖5-3-31動(dòng)畫設(shè)置3圖5-3-32動(dòng)畫設(shè)置4I1.LiOe+Ou9.50e-019.00e-0-18.50e-01Ei.OOe-017.50e-017.00e-016.50e-016.00e-015.50e-015.00e-014.50e-014.00e-013.50e-013.00e-012.50e-012.00e-011.50e-011.OOe-O15.00e-02IO.OOe+OOContoursofVoIurnefraction('air)(Time=0.000ue+uu')ANSYSFLUENT14.0(2c圖5-3-33空氣初始相圖6．迭代計(jì)算(1)選擇File—Write—Case&Data...命令，彈出SelectFile窗口，保存為scour.case和scour.data。(3)單擊選擇Solution—RunCalculation命令，打開RunCalculation面板。設(shè)置初始TimeStepSize為0.0001，NumberofIterations設(shè)置為100000，MaxIterations/TimeStep設(shè)置為20,表示每一個(gè)時(shí)間步最多進(jìn)行20次迭代計(jì)算，如圖5-3-34所示。單擊Calculate按鈕進(jìn)行迭代計(jì)算。

圖5-3-34迭代設(shè)置對話框5.3.4計(jì)算結(jié)果后處理及分析1．三相云圖繪制(1)分別讀入scour-8-0067.dat、scour-8-00119.dat和scour-8-00187.dat數(shù)據(jù)，單擊選擇Results—GraphicsandAnimatiOn令，打開GraphicsandAnimations面板，如圖5-3-35所示，分別繪制上述三個(gè)時(shí)刻的空氣相云圖、液相云圖和固相云圖。圖5-3-35氣液相云圖繪制設(shè)置2)最終結(jié)果如圖5-3-36~圖5-3-47所示。1noe+no9noe-ni8.50e-018one-017.5Ue-U-?.Liiie-ii16.nne-oi5.5Ue-U14.50e-ni4.00e-014.noe-ni:-iSiie-Li-3.noe-012.50e-012.5Ue-U1iiiie-Li-1.5Ue-U-5.UUe-U2LiJJiJe+iJUO.OOe+QOH.SLie-iilH.iiiie-iil7.5Ue-Ulb.Siie-iil6noe-oiS.iiiie-iil4.50e-niJ.SLie-iili.UUe-iJI7JJiJe-U-H.SUe-U-9.506-019.noe-015.506-015.noe-01■.ijue-ii-5iiiie-LP1.5Ue-U11ooe-oi1Jiiie+iiiJ9.50e-01圖5-3-36初始?xì)庀嘣茍D圖5-3-370.299s時(shí)刻氣相云圖1.OOe+OOI9.50e-011.OOe+OOI9.50e-01I9.00e-01IB.50e-01I8.00e-01I7.50e-01I7.00e-01I6.50e-01I6.00e-015.50e-01I5.00e-01I4.50e-01I4.00e-01I3.50e-01I3.00e-01I2.50e-01I2.00e-01I1.50e-01I1J：iOe-O15.00e-020.OOe+OO1JJOe+OOI9.50e-01I9.00e-01IB.50e-01I8.00e-01I7.50e-01I7.00e-01I6.50e-01I6.00e-01I5.50e-01I5.00e-01I4.50e-01I4.00e-01I3.50e-01I3.00e-01I2.50e-01I2.00e-01I1.50e-01I1.00e-015.00e-020.00e+00ContoursofVolumefraction(air)仃ime=5.9900e-01)ANSYSFLUENT14.0(2iContoursofVolumefraction(air)(Time=9.0000e-01)ANSYSFLUENT14.0(2i圖5-3-380.599s時(shí)刻氣相云圖圖5-3-390.900s時(shí)刻氣相云圖1noe+no9noe-ni8.50e-018nne-017.5Ue-U-Z.SLie-iil6nne-016noe-ni4.50e-ni4.00e-01J.SUe-UI:-iSiie-Li-3noe-ni3ooe-oi2.50e-01iiiie-Li-1.5Ue-U11.5Ue-U-IIJJile+iJiJO.OOe+QOH.SLie-iil8.ooe-oi7.iJUe-iJ16.50e-niS.SLie-iil5.UUe-iJl4.50e-014OOe-OI2.UUe-U17JJiJe-U-H.SUe-U-9.506-019ooe-oi5.506-015ooe-oi■.ijue-ii-5iiiie-LP1Jiile+iiii9.50e-011JJiJe-UI5.UUe-iJ2圖5-3-40初始液相云圖圖5-3-410.299s時(shí)刻液相云圖1.OOe+OO9.50e-018.00e-016.50e-016.00e-015.50e-015.00e-013.50e-012.00e-011.50e-011J：iOe-O15.00e-029.00e-018.50e-014.50e-014.00e-017.50e-017J1.OOe+OO9.50e-018.00e-016.50e-016.00e-015.50e-015.00e-013.50e-012.00e-011.50e-011J：iOe-O15.00e-029.00e-018.50e-014.50e-014.00e-017.50e-017J：i0e-013.00e-012.50e-010.OOe+OO574e+00I5.45e+00I5.16e+00I4.88e+00I4.59e+00I4.30e+00I4.02e+00I3.73e+00I3.44e+00J.16e+iJiJI2.87e+00I2.58e+00I2.30e+00I2.01e+00I1.72e+00I1.43e+00I1.15e+00I8.61e-01I574e-012.87e-010.00e+00ContoursofVelocityMagnitude(water)(m/s)(Time=5.9900e-01)ANSYSFLUENT14.0(2iContoursofVolumefraction(water)仃ime=9.0000e-01)ANSYSFLUENT14.0(2i圖5-3-420.599s時(shí)刻液相云圖圖5-3-430.900s時(shí)刻液相云圖1noe+nn6one-015.7Ue-U-9.50e-019one-014.80e-013.90e-013.606-013.30e-013.00e-014.50e-014.00e-ni3.50e-miie-ir3.006-012.50e-ni.Lille-Il'1.2Ue-iJ-1.SOe-OI6.One-023.00e