153、Fluent明渠流动Open Channel Flow案例--与VOF模型的区别

明渠流动是指液体在重力作用下，沿着具有自由液面的渠道发生的流动。简单来说，就是水流上方与大气直接接触，压力基本为大气压。生活中的明渠流动有很多，最典型的就是河道、排水渠等。

下面这个流动是明渠流吗？？

 

明渠流动最大的特点是重力驱动，且自由液面，是典型的多相流模型。

很多同学做多相流模型时，都会遇到明渠流动的案例。VOF模型界面也专门有Open Channel Flow。

这里实际上存在一个问题，明明VOF就可以模拟重力驱动的自由液面流动，为什么还会单独有Open Channel Flow模型？？难道只是多出一些参数，方便我们设置吗？还是其数学模型是有所不同的？

或者说，我就用VOF来模拟，可不可以模拟出和Open Channel Flow模型相同的明渠流动

有没有哪位同学思考过这个问题？？

模型很简单，三维模型，水流以5m/s流速来流，在重力作用下流经水沟，而后流出，水渠上方为自由边界，与空气相接触。

3.1 导入网格

使用Fluent软件打开Chapter153.msh网格文件，文件在本文末尾链接资源内。注意，本案例为3D模型，打开Fluent软件时在 Dimension选项中选择3D。在Options中启用双精度(Double Precision)。

选择网格文件时要注意，由于本案例网格文件为msh格式，文件类型需要选择.msh，才能看到网格文件

导入mesh文件后，点击Display，将显示模型

3.2 检查模型尺寸

本案例模型尺寸以m为单位，检查模型尺寸是否与下图一致

3.3 求解器设置

基于压力求解器，瞬态设置，勾选重力，重力方向设置为Z方向，-9.81。

注：明渠流动依靠重力作用，因此必须勾选重力

4.1 多相流模型

双击打开多相流模型，勾选VOF模型，同时在VOF Sub-Models下面勾选Open Channel Flow。其他设置保持默认

疑问点：

1.直接使用普通的VOF模型，也可以模拟水流流动，那么明渠流相较于普通的VOF模型有什么根本性不同？

最后的结果比较部分，我们来详细解释这点

4.2 湍流模型设置

湍流模型选择 k-ω SST模型，保持默认设置即可

5.1添加water

双击air，打开空气材料界面，单击Fluent Database

打开Fluent Database界面，找到water-liquid(h2o<l>)，单击Copy即可。

此时材料界面会出现air和water两种材料，材料属性保持默认

5.2 相界面材料设置

回到多相流界面，主相选择air，并命名为air；次相选择water，并命名water

相间相互作用，设置水的表面张力系数为0.072N/m

6.1 inlet

Open Channel Flow的设置关键还是边界条件参数，并不是所有的边界条件都可用于明渠流。本例inlet设置为压力入口，可设置明渠流参数

在Multiphase界面勾选Open Channel后，需要设置明渠流参数

，这里我们简单说明，后面出一篇内容对明渠流的参数设置详细解释

Secondary Phase for the Inlet：如果只有两相，则选择次相。本例即设置为次相-water

Flow Specification Method有三种选择

但一共就三个参数，且这三个参数中只有两个是独立的，也就是知道两个就可以推导出第三个。

本例设置Free Surface Level和Velocity

Free Surface Level表示自由液面高度，即从自由表面到重力方向原点的竖直高度。

对于本例，自由液面在原点上方1m处，因此设置Free Surface Level为1m

Velocity并不用于边界速度大小，而是用来计算动压。本例设置为5m/s，可以粗略认为来流速度就是5m/s

Bottom Level指水渠底部距原点的竖直高度，本例水渠底部在原点之下，因此为-1m

这里的设置使得入口会分为两部分，一部分是液相，另一部分是空气相，不需要通过划分边界或者UDF的方式来人为设置了

6.2 outlet

outlet设置为压力出口，打开界面如下

在Multiphase界面勾选Open Channel后，需要设置明渠流参数，这里与inlet保持一致即可。

思考：出口的物理量参数应该是由计算得到的，这里为什么需要设置？

这是因为在明渠流动中，下游的条件会向上游传播，影响整个流场。因此，出口的参数并非由Fluen直接计算得到，而是作为一项关键的下游边界条件提供给求解器

6.3 out_free_surface

out_free_surface设置为压力出口，打开界面如下

在Multiphase界面勾选Open Channel后，需要设置明渠流参数，这里与inlet保持一致即可。

7.1 求解方法

Solution → Solution → Methods..  

Volume Fraction要选择Geo-Reconstruct，可以精确计算气液界面。详细内容可参考文章：151、Fluent VOF模型显式和隐式格式的对比

7.2 求解控制

保持默认即可

Solution→Initialization

明渠流动有专门的初始化方法，

Compute from选择inlet

Open channel Initialization Method选择Flat

Initial Values保持默认

点击Initialize，此时Fluent会根据Inlet设置明渠参数，自动对计算域进行初始化，将整个计算域的值都初始化成inlet中明渠参数，如自由液面高为1m，bottom lelve为-1m等

初始化后的相界面如图

这种初始化方法类似patch，直接将计算域填充满水，可以大大增加收敛性，节省计算时间。

为了观察水刚流过水渠的界面，我们还是采用标准初始化，初始时整个计算域都没有水，然后让水慢慢流过计算域。

采用自适应时间步，初始时间步长设置为0.001s

之所以使用自适应时间步，是因为水流在流经水沟过程中会产生较大的物理量突变，此时时间步长要较小才能满足收敛性。

计算残差图

10.1 二维流场动画

10.2 静压云图

10.3 三维相界面云图

11.1 区别1：边界条件设置不同

明渠流动在入口和出口边界多出的一组专门为明渠流设计的参数，前面已经介绍过，这里不再赘述

11.2 区别2：水压随深度的变化

用VOF来模拟，虽然设置会麻烦一些，但是可不可以模拟出和Open Channel Flow模型相同的明渠流动呢？

我们来简单试一下，首先打开明渠流动，我们使用明渠流动的Flat进行初始化，首先看一下相界面云图

然后我们看一下静压云图。可以看到明渠流动的静压云图是随水深而改变的，这非常合理，初中物理告诉我们，p=ρgh，所以这是没问题的。

现在我们来看一下VOF模型，同样的设置，我们关闭明渠流动。然后使用patch方法，同样patch出相同的水域。相界面如图。可以看到，除了入口处有所不同，其他区域与明渠流动完全相同。

接下来我们看看静压云图，我们发现静压并没有随着水深而改变。这一点可能很多同学第一次发现

为什么？这其实是VOF模型存在的问题，VOF模型无法模拟处静压随水深的变化，认为压力是相同的，这显然是不合理的(注：经留言区指正，将参考压力设置为0 可体现出压力随水深的变化-未验证)。但明渠流动可以很好的实现这个物理现象

11.3 区别3：弗劳德数

明渠流有缓流、急流等状态，判断它们的关键是弗劳德数。标准VOF模型没有内嵌这个无量纲数的概念。

而明渠模型内部集成了弗劳德数等明渠流核心概念，它能根据你提供的液面高度、流速等参数，自动判断流态是缓流还是急流。

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