Fluent多相流案例：虹吸式雨水斗排水仿真模拟分析
现代装备和产品的创新，日益依赖于对机械、热、流体、电磁等物理现象的综合把握。作为一名结构仿真工程师学习流体仿真和热仿真可以应对现代工程设计中多物理场耦合的复杂挑战。这种交叉学习是成为高水平仿真工程师的必然路径。——————————————分割线——————————————近年来，虹吸式排水技术迅速发展，该技术是通过在排水管道内创造的负压环境，利用大气压将雨水高速排出，尤其在大跨度或高层建筑的屋面排水领域表现出色，增强了大跨度轻型屋面结构在暴雨下的安全性。虹吸排水是一种高效排放屋面雨水的技术，虹吸排水的本质是连通器效应，其核心在于通过特殊设计的雨水斗实现虹吸效应，即虹吸式雨水斗。虹吸式雨水斗通常盖着一个金属或塑料盖子，其学名为"整流罩"或“格栅盖板”，这是产生虹吸效应的核心，作用包括：①强制整流：通过破坏水流进入时产生的漩涡，避免因为漩涡中心卷入空气。②气液分离：当雨水斗斗前水深度达到设计值时，整流罩可隔绝外界空气，只允许水进入管道。虹吸式排水的优势如下图所示：本例通过fluent多相流对某虹吸式雨水斗的排水情况进行模拟，分析其排水能力。--01--模型及模型处理模拟雨水斗安装后的模型如下图所示（模型已在spaceclaim中进行合并、修复等处理）：由于模拟的是雨水斗的排水情况，因此需要将流体域建立出来。通过spaceclaim中的“外壳”功能，可以迅速建立包含实体外表面的流体域。如下图所示：建立流体域后，可以通过切割、删除等操作对流体域进行模型编辑，最终形成如下模型：fluent中分析只需要流体域，实体需进行抑制。因此将以上模型的实体部分进行抑制，保留流体域部分，如下图所示，该部分就是fluent分析所需的流体域部分。在流体域中，考虑水流的进入，在模型的两个对边矩形上通过印记面功能分割出水流的入口区域，如上图所示。在fluent分析前，我们还需要对模型各个面进行命名选择，方便fluent自动识别流体的入口、出口、壁面等特征。这个过程可以在spaceclaim或designmodeler中处理。本例中，通过导入前述spaceclaim建模和处理的模型，如下图，在designmodeler中进行命名选择处理。命名选择如下：入口命名为：inlet出口1命名为：outlet1，该出口为开敞的顶部。出口2命名为：outlet2，该出口为雨水斗下部连接的管道出口。最后，将入口、出口隐藏，将其余部分命名为壁面wall。以上就是所有的模型建模和命名过程。--02--fluentmeshing网格划分本例中我们采用的是workbench平台中的FluidFlow(fluentwithfluentmeshing)模块。目的是通过fluentmesh建立多面体网格，能更灵活地适应复杂几何形状。该类网格属于非结构化网格类型，网格节点和单元的连接关系不遵循固定的规律，可根据几何模型的复杂程度自动调整网格分布。该类网格可与棱柱边界层网格自然拼接，确保边界层内的网格质量，避免出现网格折叠、低质量单元或负体积等问题，尤其适用于壁面附近流动的精确模拟。此外，采用多面体网格可减少网格数量，通常比四面体网格减少30%以上，甚至可达3-5倍，大大减少了计算资源消耗。在模块上双击“mesh”启动fluent界面，如下图，勾选双精度DoublePrecision，并设置网格划分和求解所用核数（根据计算机条件设置）后，进入软件。双精度设置能更好地处理小量级效应、长迭代计算和复杂物理过程，可将残差收敛到更低水平，减少数值发散风险，适用于化学反应、声学模拟、多相流等对精度要求高的问题。打开软件后，我们可以在界面的左侧看到网格划分的工作流（workflow），这极大方便了我们对网格的划分，如下图：首先我们点击importgeometry导入前面处理的几何模型：接着对生成表面网格的选项进行设置。此模型根据模型尺度，将最小尺寸设置为0.5mm，最大尺寸设置为5mm。为提高网格质量，适当减小曲率法向角，设置为12°（软件默认为18°），如下图：较小的曲率法向角意味着网格会更密集地分布在曲率变化较大的区域，从而更精确地捕捉几何形状的细节。下图为对几何模型的描述设置。本例中模型只有流体域，因此geometrytype选择第二项，其余默认。边界条件方面，设置边界层网格为5层，其余默认。最后体网格设置，采用增强正交性的网格划分方法，并提高质量改善限值，如下图：产生的多面体网格如下：在FluentMeshing中，正交性（OrthogonalQuality）是衡量网格单元质量的重要指标，用于评估网格单元与理想正交状态的接近程度。从下图可以看到，网格最小增强正交质量为0.2。正交性值范围在0到1之间，值越接近1，表示网格单元的正交性越好，数值计算的精度和稳定性越高。通常，正交性值应大于0.1，理想情况下大于0.3。若正交性低于0.1，可能导致计算结果不可靠，需重新划分网格或优化参数。本例中最小正交质量为0.2，满足要求。--03--fluent分析设置点击“switchtosolution”进入求解设置。先设置一下单位：开启瞬态“transient”求解选项，打开重力，并设置重力方向，如下图所示：本例为多相流分析，包括空气和水两相。因此将水通过fluentdatabase复制到当前项目，如下图所示：空气采用默认，水选择“h2o<l>”。<l>表示物质所处的状态为液态。这种表示方法常用于化学方程式或物质描述中，以区分同一物质的不同物态（如固态、液态、气态）。开启多相流VOF（VolumeofFluid）模型，本例采用隐式（Implicit）算法，并打开隐式体积力(ImplicitBodyForce)。如下图所示：VOF（VolumeofFluid）模型是Fluent中用于模拟多相流（如气-液、液-液等）的常用方法。模型通过追踪各相体积分数来捕捉相界面。假设各相不混合且具有连续界面，通过求解体积分数方程，确定每个网格单元中各相的占比，从而描述相界面的位置和形状。例如，本例为多相流的流动问题，因此采用VOF模型。算法方面，显式算法受到库朗数（CourantNumber）限制，需将时间步长控制在较小范围内（通常库朗数小于1），以确保界面不会跨越多个单元（跨过多个单元可能导致计算不收敛），保证计算稳定性，界面更清晰。而隐式算法无库朗数限制，可采用较大时间步长，一个迭代步内流体界面流动可跨过多个单元，计算效率更高，界面模糊。此外，本例开启隐式体积力，将体积力（如重力、表面张力）与压力梯度项耦合求解，在相界面密度剧烈变化的区域，可为求解器提供更优的初始值，有效平衡压力和体积力的效应，减少数值振荡和发散风险，尤其适用于重力驱动流、气泡流、旋转流动等体积力主导的场景。本例为重力流，开启隐式体积力，计算精度和收敛性更好。多相流计算需要设置相和相之间的相互作用。如下图所示：相之间的相互作用设置如下图。本例考虑考虑表面张力（SurfaceTensionforcemodeling）和壁面粘附（WallAdhesion）。表面张力系数设置为常数0.072N/m，即水在20℃时的表面张力系数。本案例中，模型采用默认的湍流模型，如下图。边界条件设置方面，本例将入口设置为质量-流量入口，如下图所示：入口采用湍流强度和水力直径设置，如下图。水力直径经计算约为:D=2ab/（a+b=2*0.12*0.2/(0.12+0.2)=150mm。湍流强度采用中等湍流强度：1%≤I≤10%，本例保持默认5%，适用于不太复杂的设备（如大型管道、通风流等）或低速流（低雷诺数）中的流动，本例为低速流动。入口处设置水的质量流率为20kg/s，空气为0，如下图：出口和壁面设置为默认。出口为压力出口。至此，基本的设置完成，可以进行初始化了。但为了监测水位的变化，我们可以做一下设置。水位监测设置：新建一个线体，如下图，通过线体检测水位的变化。本例建立的线体为从坐标原点到Z轴300mm处的一条线段。线体建立后，可以显示查看，如下图：接着我们创建一个等值面，如下图，命名为water-hight，并设置监测量为水相的体积分数（volumefraction），以前述建立的线体line-4作为监测等值面值得来源。水位监测的数据可通过建立等值面报告输出，如下图所示，报告类型采用定点平均值vertexaverage，检测网格坐标的Z值。设置完成后将报告输出到指定文件位置，如下图。所有设置完成后，进行初始化设置，如下图所示。本例采用标准初始化（StandardInitialization），指定计算参考位置为入口“inlet”，将初始的水相体积分数设置为0，该初始化不涉及方程求解，仅进行简单的数值赋值操作。比较适合本例的多相流、非稳态模拟问题。初始化后，我们设置迭代时间步和时间步长，如下图，总计算流动的时长为：100*0.05=5s。本例中，时间步长设置的比较大，主要考虑计算时间问题，比较小的时间步长设置将会耗费更多计算资源。最后设置一下计算的自动保存间隔，如下图：至此所有设置完成，checkcase无问题后，开始计算。--04--计算结果探讨下图为水位监测图。入口处按20kg/s的量流入水，水位在经过初始的剧烈震荡后，逐渐趋于稳定。考虑原点位置，结合实际趋于稳定时的监测Z坐标值，可计算实际水深约为110-21=89mm。下图为计算时的残差收敛情况，通常我们判断是否收敛最直接的就是看残差曲线，但是很多时候，有的残差曲线（尤其连续性曲线）总是降不下去。这时候正确的做法应该是监测比较重要的物理量，查看其是否稳定。本例中可以看到残差趋势均趋于减小，但连续性（continuity）残差未降到1E-3以下。为此可以查看一下Results-Reports-Fluxes通量是否守恒，如下图：对于本例不涉及源相的情况，massflowrate所有进出口质量流率之和应该为0，其中进口为正，出口为负。NetResults表示进出口质量流率之和。可以看到NetResults虽然不为零，但值较小，误差约0.569/19.99=2.8%，对于本例可以接受，结合监测量以及残差曲线，可以认为计算收敛了。本例中时间步长设置为了0.05s，步长较大，可以减小步长，获得更好的收敛结果。下图为虹吸式雨水斗排水的动画和水相的体积分数输出，可以看到当水位上升到一定程度后，排水管内逐渐形成了满管流。从中间截面的流速可以看到（下图），水相通过雨水斗后，在管道内逐渐形成了满管流，水流速提升，这表明产生了明显虹吸效应。好了，以上就是本期全部内容。欢迎评论区讨论交流～来源：薛定谔的Cube
