【文章內(nèi)容簡介】 根據(jù)流動情況，可以計算壁面切應(yīng)力和與流體換熱情況。壁面熱邊界條件包括固定熱通量、固定溫度、對流換熱系數(shù)、外部輻射換熱、外部輻射換熱與對流換熱等。(10) )進(jìn)口通風(fēng)(inlet vent)：進(jìn)口通風(fēng)邊界條件需要給定入口損失系數(shù)、流動方向和進(jìn)口環(huán)境總壓和總溫。對于進(jìn)口通風(fēng)模型，假定進(jìn)口風(fēng)扇無限薄，通風(fēng)壓降正比于流體動壓頭和用戶提供的損失系數(shù)。(11) )進(jìn)口風(fēng)扇(intakefan)：進(jìn)口風(fēng)扇邊界條件需要給定壓降、流動方向和環(huán)境總壓和總溫。假定進(jìn)口風(fēng)扇無限薄，并且有不連續(xù)的壓力升高，壓力升高量是通過風(fēng)扇速度的函數(shù)。如果是反向流動，風(fēng)扇可以看成是通風(fēng)出口，并且損失系數(shù)為1。壓力階躍可以是常數(shù)，或者是流動方向垂直方向上速度分量的函數(shù)形式。(12 )出口通風(fēng)(outletvent)。出口通風(fēng)邊界條件用于模擬出口通風(fēng)情況，并給定一個損失系數(shù)以及環(huán)境(出口)壓力和溫度。排出風(fēng)扇給定損失系數(shù)和環(huán)境靜壓和靜溫。出口通風(fēng)邊界條件需要給定如下參數(shù)：靜壓、回流條件、輻射參數(shù)、離散相邊界條件、損失系數(shù)。本課題中采用的數(shù)值模擬的基本方法為Ferziger and Peric(1999) 所描述的適用于非正交網(wǎng)格的有限體積元法（FV）。該方法的優(yōu)點是可使模型方程保持其原始形式且各離散項都有清晰的物理意義,有助于進(jìn)一步分析和編程。對模型方程的對流項采用近似于二階精度的中心離散及迎風(fēng)格式的混合法，擴(kuò)散項的濃度梯度按具有二次精度的高斯定理計算。對非恒定項采用二階精度隱式方案。在對守恒方程的各項離散后，任何一個網(wǎng)格單元中心最終的離散方程式可寫成一個線性方程式，對整個模擬區(qū)域的網(wǎng)格線性離散后即得到一線性方程組。然后應(yīng)用收斂快的迭代數(shù)值求解該線性方程組，求得未知變量。數(shù)值計算的關(guān)鍵之處在于制作網(wǎng)格，然后再倒入Fluent軟件進(jìn)行詳細(xì)的計算。FLUENT是用于計算流體流動和傳熱問題的程序。它提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，對復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效。FLUENT還可以根據(jù)計算結(jié)果對網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，這對于精確求解有較大的梯度的流場有很實際的效果。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整值在加密區(qū)實施，而非整個流場，因此可以節(jié)約時間。利用FLUENT軟件進(jìn)行流體流動的模擬計算。首先利用GAMBIT進(jìn)行流動區(qū)域幾何形狀的構(gòu)建，邊界類型以及網(wǎng)格的生成，并輸出用于用于FLUENT求解器計算公式的格式；然后利用FLUENT進(jìn)行計算，其中求解器是流體計算的核心，所有計算在此完成，主要功能是導(dǎo)入前處理器生成的網(wǎng)格模型，提供計算的物理模型，確定材料的特性，施加邊界條件，完成計算并進(jìn)行計算結(jié)構(gòu)的后續(xù)處理。后處理軟件是從各個方面觀察流體計算結(jié)果。FLUENT程序可以求解可壓縮和不可壓縮流動、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動、牛頓流體和非牛頓流體 慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動模擬、兩相流、復(fù)雜表面形狀下的自由流動等問題。在本課題中，運(yùn)用FLUENT求解和模擬不可壓縮流。本課題中基于不可壓縮流體的RANS方程和湍流kε模型建立的關(guān)于污染物及沉積物在水體中遷移的二維和三維動力學(xué)模型，選取10度、35度和70度三種河道彎度對不可分解污染物的分布情況進(jìn)行驗證，并最終得出所需要的數(shù)據(jù)以及污染物在不同彎曲度分布情況較為準(zhǔn)確的特征。3 河道各段數(shù)據(jù)計算 本課題研究對象為天然河道的彎曲度對污染物在彎曲河道內(nèi)的分布特征的影響。在本次設(shè)計中分別選取了10度，35度，70度三種不同彎曲度的河道進(jìn)行研究。河道的斷面尺寸如下圖所示： 河道斷面尺寸圖河道橫向坐標(biāo)用下面的公式進(jìn)行計算： ds=λ/網(wǎng)格數(shù)（20） θ=Ω*sin(2π(xxo)/λ) λ=40m Ω=10度，35度，70度 x(i)=x(i1)+ ds*cosθ(i1) y(i)=y(i1)+ ds*sinθ(i1) z(i)= y(i1) ds*坡度 坡度= 河流橫向長度取170m,其中前40m為直河道，河道取兩個正弦彎曲河道，λ=40m，彎曲河道后為50m直河道。如下圖所示。 10度彎曲河道橫向斷面圖 由于河道的前四十米和后五十米為直河道，故不需要對其進(jìn)行坐標(biāo)計算，只需要對兩個正弦彎曲河道的坐標(biāo)進(jìn)行計算。在x軸方向上，取一米長為一個計算單位，代入公式進(jìn)行計算。河道各點坐標(biāo)的計算結(jié)果見附表。河道橫向圖如下所示。 35度彎曲河道橫向斷面圖 河道各坐標(biāo)的計算方法同彎曲度為10度的河道，各坐標(biāo)的計算結(jié)果見附表。 河道橫向示意圖如下所示。 70度彎曲河道橫向斷面圖河道各坐標(biāo)的計算方法同彎曲度為10度的河道，各坐標(biāo)的計算結(jié)果見附表。4 基于Gambit和Fluent技術(shù)下二維河道的模擬GAMBIT是為了幫助分析者和設(shè)計者建立并網(wǎng)格化計算流體力學(xué)（CFD）模型和其它科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計的一個軟件包[10]。GAMBIT通過它的用戶界面（GUI）來接受用戶的輸入。GAMBIT GUI簡單而又直接的做出建立模型、網(wǎng)格化模型、指定模型區(qū)域大小等基本步驟。GAMBIT軟件具有以下特點[11]：ACIS內(nèi)核基礎(chǔ)上的全面三維幾何建模能力，通過多種方式直接建立點、線、面、體，而且具有強(qiáng)大的布爾運(yùn)算能力；可對自動生成的Journal文件進(jìn)行編輯，以自動控制修改或生成新幾何與網(wǎng)格；可以導(dǎo)入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多數(shù)CAD/CAE軟件所建立的幾何和網(wǎng)格。導(dǎo)入過程新增自動公差修補(bǔ)幾何功能，以保證GAMBIT與CAD軟件接口的穩(wěn)定性和保真性，使得幾何質(zhì)量高，并大大減輕工作量；新增PRO/E、CATIA等直接接口， 使得導(dǎo)入過程更加直接和方便；強(qiáng)大的幾何修正功能，在導(dǎo)入幾何時會自動合并重合的點、線、面；新增幾何修正工具條，在消除短邊、縫合缺口、修補(bǔ)尖角、去除小面、去除單獨輔助線和修補(bǔ)倒角時更加快速、自動、靈活，而且準(zhǔn)確保證幾何體的精度；強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力，可以劃分包括邊界層等CFD特殊要求的高質(zhì)量網(wǎng)格。GAMBIT中專用的網(wǎng)格劃分算法可以保證在復(fù)雜的幾何區(qū)域內(nèi)直接劃分出高質(zhì)量的四面體、六面體網(wǎng)格或混合網(wǎng)格；先進(jìn)的六面體核心(HEXCORE)技術(shù)是GAMBIT所獨有的，集成了笛卡爾網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)點，使用該技術(shù)劃分網(wǎng)格時更加容易，而且大大節(jié)省網(wǎng)格數(shù)量、提高網(wǎng)格質(zhì)量；居于行業(yè)領(lǐng)先地位的尺寸函數(shù)（Size function）功能可使用戶能自主控制網(wǎng)格的生成過程以及在空間上的分布規(guī)律，使得網(wǎng)格的過渡與分布更加合理，最大限度地滿足CFD分析的需要；GAMBIT可高度智能化地選擇網(wǎng)格劃分方法，可對極其復(fù)雜的幾何區(qū)域劃分出與相鄰區(qū)域網(wǎng)格連續(xù)的完全非結(jié)構(gòu)化的混合網(wǎng)格；可為FLUENT、POLYFLOW、 FIDAP、ANSYS等解算器生成和導(dǎo)出所需要的網(wǎng)格和格式。FLUENT軟件是用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動的CFD商業(yè)軟件包。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使FLUENT在轉(zhuǎn)捩與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。FLUENT軟件具有以下特點[12]：FLUENT軟件采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，而且具有基于網(wǎng)格節(jié)點和網(wǎng)格單元的梯度算法； 定常/非定常流動模擬，而且新增快速非定常模擬功能； FLUENT軟件中的動/變形網(wǎng)格技術(shù)主要解決邊界運(yùn)動的問題，用戶只需指定初始網(wǎng)格和運(yùn)動壁面的邊界條件，余下的網(wǎng)格變化完全由解算器自動生成。網(wǎng)格變形方式有三種：彈簧壓縮式、動態(tài)鋪層式以及局部網(wǎng)格重生式。其局部網(wǎng)格重生式是FLUENT所獨有的，而且用途廣泛，可用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、變形較大問題以及物體運(yùn)動規(guī)律事先不知道而完全由流動所產(chǎn)生的力所決定的問題； FLUENT軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力，支持界面不連續(xù)的網(wǎng)格、混合網(wǎng)格、動/變形網(wǎng)格以及滑動網(wǎng)格等。值得強(qiáng)調(diào)的是，F(xiàn)LUENT軟件還擁有多種基于解的網(wǎng)格的自適應(yīng)、動態(tài)自適應(yīng)技術(shù)以及動網(wǎng)格與網(wǎng)格動態(tài)自適應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)； FLUENT軟件包含三種算法：非耦合隱式算法、耦合顯式算法、耦合隱式算法，是商用軟件中最多的； FLUENT軟件包含豐富而先進(jìn)的物理模型，使得用戶能夠精確地模擬無粘流、層流、湍流。湍流模型包含SpalartAllmaras模型、kω模型組、kε模型組、雷諾應(yīng)力模型(RSM)組、大渦模擬模型(LES)組以及最新的分離渦模擬(DES)和V2F模型等。另外用戶還可以定制或添加自己的湍流模型； 適用于牛頓流體、非牛頓流體； 含有強(qiáng)制/自然/混合對流的熱傳導(dǎo)，固體/流體的熱傳導(dǎo)、輻射； 化學(xué)組份的混合/反應(yīng)； 自由表面流模型，歐拉多相流模型，混合多相流模型，顆粒相模型，空穴兩相流模型，濕蒸汽模型； 融化溶化/凝固；蒸發(fā)/冷凝相變模型； 離散相的拉格朗日跟蹤計算； 非均質(zhì)滲透性、慣性阻抗、固體熱傳導(dǎo)，多孔介質(zhì)模型（考慮多孔介質(zhì)壓力突變）； 風(fēng)扇，散熱器，以熱交換器為對象的集中參數(shù)模型； 慣性或非慣性坐標(biāo)系，復(fù)數(shù)基準(zhǔn)坐標(biāo)系及滑移網(wǎng)格； 動靜翼相互作用模型化后的接續(xù)界面； 基于精細(xì)流場解算的預(yù)測流體噪聲的聲學(xué)模型； 質(zhì)量、動量、熱、化學(xué)組份的體積源項； 豐富的物性參數(shù)的數(shù)據(jù)庫； 磁流體模塊主要模擬電磁場和導(dǎo)電流體之間的相互作用問題； 連續(xù)纖維模塊主要模擬纖維和氣體流動之間的動量、質(zhì)量以及熱的交換問題； 高效率的并行計算功能，提供多種自動/手動分區(qū)算法；內(nèi)置MPI并行機(jī)制大幅度提高并行效率。另外，F(xiàn)LUENT特有動態(tài)負(fù)載平衡功能，確保全局高效并行計算； FLUENT軟件提供了友好的用戶界面，并為用戶提供了二次開發(fā)接口（UDF）。 污染物和水的各種物理和化學(xué)特性是不同的，例如溫度，密度，酸堿度等。在研究污染物在彎曲河道的分布情況之前，可先用溫度模擬污染物在河流中的變化情況。二維模擬選取XY面為基準(zhǔn)面，將10度彎曲河道的計算結(jié)果倒入到文本文檔，只取x和y方向的數(shù)據(jù)，z方向均為零。再將文本文檔里的數(shù)據(jù)倒入到gambit軟件中，繪制出如下10度彎曲河道的二維網(wǎng)格圖。 10度彎曲河道二維網(wǎng)格圖在XY坐標(biāo)面上的網(wǎng)格數(shù)為100*43，并對河道兩邊進(jìn)行加密處理。在河流的入口端用gambit中的split功能在河流中心劃分出一個污染物入口，定義為入口2（inlet2），其他兩端入口定義為水流入口1（inlet1）。河流出口定義為出口（outlet）。最后生成可以導(dǎo)入fluent計算的mesh文件。 利用Fluent求解器求解mesh文件的步驟如下：（選二維單精度求解器）。(1)File—read—case(讀入網(wǎng)格文件)；(2)Grid—check(檢查網(wǎng)格文件)；(3)Grid—scale(設(shè)置計算區(qū)域尺寸)；(4)Display—grid(顯示網(wǎng)格)。(1)Define—model—solver(求解器的定義)；(2)Define—model—Energy(選定能量計算模型)；(3)Define—operation conditions(操作環(huán)境的設(shè)置)；(4)Define—materials(定義流體的物理性質(zhì))；(5)Define—boundary conditions(設(shè)置邊界條件)。 (1)Slove—contro