1Flow3d 9.3.2 Hydraulics Tutorial 水力教程本练习的目的是模拟水从水库通过薄壁堰流进下游水池图 1 水流模拟在设计中，模拟的第一步是需要完全了解要分析的问题用流体力学知识，分析工程中哪些参数重要，怎样简化问题，可能出现什么问题，以及希望得到什么样的结果确定液体流动特性，如黏性、表面张力及能量作用大小的常用方法，是计算无量纲参数，如雷诺数、邦德数、韦伯数Re (Reynold’s Number) 雷诺数=Inertial Force/Viscous Force =贯性力/黏性=UL/νBo (Bond Number) 邦德数=Gravitational Force/Surface Tension Force =重力/表面张力=gΔρL2/σWe (Weber Number)韦伯数=Inertial Force/Surface Tension Force=惯性力/表面张力=LU2ρ/σ这里 U 是特征速度，L 是特征长度，g 是重力加速度，ρ 是密度，σ 是表面张力系数对本问题，水从 18cm 高堰流过，水流在堰底的速度可近似按自由落体运动分析得出：Velocity = sqrt(2*980*18) = 187.8 cm/s流体的雷诺数为：Re = 30cm x 187.8cm/s / 10-2cm^2/s = 5.6 x 105雷诺数大，意味着与贯性力相比，黏性力不可忽略。
因此，我们不需要精细的网格求解壁黏性剪切层当然，由于流态的紊乱，液体内部有很多黏性剪切力，因此，需要在模型中指定黏性参数2邦德数按下式求得：Bo = 980cm/s^2 * 1 gm/cc * (30cm)^2/(73gm/s^2) = 1.2 x 104韦伯数按下式求得：We = 30cm * (187.8 cm/s)^2 * 1gm/cc / (73gm/s^2) = 1.45 x 104再者，大的邦德数和大的韦伯数表明，与重力和惯性力相比，表面张力可忽略模型是这种情况时，不考虑表面张力问题的大小（模型运行的时间）可以利用堰中心顺水流平面的对称特性进行简化因此，我们仅仅需要模拟整个范围的一部分（即堰的后半部分），就可也得到堰的全部信息我们已经对问题进行了简化，下面是如何建立这些条件，如何确定几何条件，利用 flow3d求解问题建模总体参数点击“Model Setup”表的“General ”表，“General ”是确定整个问题的参数，如结束时间、结束条件、界面追踪，流体模式，液体的数量，提示选项，单位及精度对本教程，我们是想看流场，当液体达到几乎稳定状态时，它的时间是 1.0s因此，通常设定结束时间为 1.0s。
对一个实际问题，可能运行这种模拟的时间会更长一些但是，我们感兴趣的是速度，对于本运行，我们限定时间在“Simulation units”标题菜单中，选 CGS 单位（厘米秒），其它设置采用缺省设置在“总信息表 Global tab”的底部注释中，你可以在第一行为问题指定一个名字名字会出现在所有输出文件和图形上本例名称为“Flow over a Weir”（过堰流体）建立几何体 Geometry Setup我们将添加元件定义堰体首先，我们输入一个已有的 STL 文件，weri1.stl，该文件放在目录“c:\flow3d\gui\stl_lib”切换到“几何与分网 Meshing & Geometry ”表，单击工具条 STL 图标，会打开标题为“几何 Geometry”的对话框，点击添加，打开对话框，找到并选择 weri1.stl在“Geometry File”点击 ok，接受缺省设置在之后出现的添加部件对话框中接受缺省设置现在 STL 文件已经输入，并且出现在工作空间中输入文件也被列在树形结构表中下面，我们将通过“FLOW-3D”简单建模创建另一个组件，来添加上游水库河床在工具栏点击 box（盒子）图标，盒子对话框显示如图 2。
3图 2 盒子组件选项为了能够定义堰上游河床不同的特性（如添加糙率参数），我们应将河床定义成一个单独的部件这是因为“FLOW-3D”组件中的所有子部件共享相同的参数因此，在盒子子部件对话框的下拉菜单中，选择“New Component 2”，输入盒子尺寸，如图 2其它按缺省设置在盒子对话框中，单击 ok，接受缺省参数下一个对话框出现（添加组件）盒子会作为新子部件在左侧树形结构及工作空间中出现注：对本教程，我们提供了河床的范围为了你能够自己确定河床尺寸，你可以通过树形结构查看 STL 文件的尺寸这时，通过单击“+”号，打开部件 1 数据，打开子部件1 分支，查看部件的 x、y、z 方向的最大、最小尺寸分网在进行任何模拟时，最重要的工作之一是考虑如何定义计算网格网格单元的数量，取决于定义边界的尺寸并且，网格单元的数量极大地影响计算结果、运行时间、计算精度因此，问题的范围必须仔细选择总之，计算人在问题未做好之前，应当谨慎勾画问题的简图对本问题，我们需要定义的问题是 2 个：堰后流体及堰前面流体流过的范围，当然还有堰本身注意，不要将范围定得太小，如图 3、图 4如果堰上游范围太小，见图 3，计算结果可能不稳定，因为可能会出现突然的加速度。
如果堰下游定得太小，见图 4，边界条件会影响流态同样，边界范围不应定得太大，因为没有必要增加计算规模（计算时间）图 3 计算结果不稳定 图 4 下游范围小4“FLOW-3D”使用结构化的计算网格这些网格不是方块就是圆柱既然计算时间与网格数量的增加而增加，计算者应该严格减少范围内无用的部分FLOW-3D”容许使用多网格块，可以消除范围内无用的部分通过 2 个、3 个或者更多的块，你可以考虑减小计算范围对这种情况，将采用比较粗糙的一块网格，开始我们的计算在后面的练习中，我们将在感兴趣的区域嵌套精细的网格在 flow3d 中，有两种方式创建和定义网格：手工定义及图形定义这里，我们叙述手工定义网格我们将定义网格范围：-10—3，pt2 3设置总网格数为 12现在设置 Y 范围：pt1 0，pt2 5，设置总网格数为10最后，设置 z 方向范围：pt18，pt2 18，将网格总数设为 20现在点击 Update图标（或选择网> 更新或按 Ctrl - U）的刷新网格应该显示图所示 16图 16 调整网格对于任何一个嵌套网格和网格边界，连接到或在另一个网块中，用户不需要指定边界条件。
Flow3d 在预处理器中会自动定义为 “网块”现在，单击常规选项卡，并在说明中追加“嵌套块” 标题通过单击文件菜单下的模拟选项保存的更改 现在，为了检查设置，单击菜单下的模拟仿真预处理选项，在预览模式下运行预处理器当预览完成后，检查网格和边界条件要检查网格，单击分析选项卡，打开 flow3d 结果对话框按下单选按钮，然后选择文件 prpplt.dat点击确定，在显示选项卡上查看网格图形 15要检查边界条件，点击 flow3D 菜单栏中点击“Diagnostics”菜单，选择预处理报告（Preprocessor Report ）每个网块体边界条件类型将显示 当您对设置感到满意，单击运行菜单下的模拟运行 flow3d 三维求解器由于大量的单元，它可能需要长达 10 分钟完成当求解完成运行，看看你的分析结果，通过点击标签，打开 flow3d 结果对话框随着自定义单选按钮选择，找到并选择该文件 flsgrf.dat点击确定通过选择 2 - D 和 3 - D 按钮，多块可以被观察到Variation: Run as a Two-Fluid Problem 变化：作为双流体问题运行通常，当两流体模型（例如，还模拟空气的流动）是需要的，用户不知道什么时候使用自由表面模型（一尖锐的界面追踪液体）。
对于这种变化，我们将在我们的模型中包含空气，看看会发生什么注意：因为你已经通过建立和运行问题好几次，我们会简化讨论首先，选择 Navigator 选项卡后，在文件菜单下，添加仿真，复制先前运行仿真在对话框中将它命名为 Hydraulicsair，并单击文件菜单下的模拟或按 CRTL - s 选项，保存工作区 在模型建立>总体（Model Setup>Genera），在流体数量中，选择两种流体我们将舍弃自由表面或界面（Interface Tracking at Free Surface or Sharp Interface），和不可压缩流模式接口跟踪空气是可压缩流体，在本问题中马赫数()低，因此，假定空气的不可压缩性是合的更改在标题部分追加“ 空气” ，并通过单击文件菜单下的模拟选项的更改保存的第一行标题在模型设置>流体，加载流 2 空气性质高亮度显示的空气温度在 15℃，CGS 单位，单击加载在流体 2这将设置第二流体，空气的粘度和密度这可以通过扩大的粘度和在左侧属性树验证选择菜单下的运行仿真模拟选项运行的问题这个问题应该运行在大约 4 分钟当模拟完成后，选择点击文件 flsgrf.dat，看看你的结果进行分析。
你可能想看看在 xz平面的二维图在最小 Y 坐标（通过堰中心，靠近对称面）对流体部分设置轮廓变量然后点击渲染这些照片中的颜色显示每个单元中的水含量补体是空气的一小部分请注意，有扩散的水/空气界面和水是进了空气（见图 17）也有相当高的空气流速16图 16 水/空气界面扩散应当指出，这些结果是没有实际意义的主要问题是，在每个单元的面，只有一个（混合物）的速度计算在现实中，因为流体密度的不同，空气流速和水流速度有着显着差异当两流体的密度差异很大，即由大约超过了 10 倍以上，这种混合速度可能无法充分反映，因为在同一单元格中，流体流动速度可有很大差异因此，流体之间的滑移条件不能准确模拟，这可能导致一个不正确的流体界面运动底线是，当两个液体密度差别个很大，两流体模型是不准确的（许多其他的 CFD 软件包，采用自由表面问题进行处理，这是唯一的方式）为了模拟自由表面问题更准确，flow3d 使用一个真正的三维 VOF 方法，适当运动的流体（在这种情况下水），保持锋利的界面，并且不计算空区域（空气）的动力。