5.3水流對沙灘沖刷過程的數值模擬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行數值模擬，如圖5-3-1所示，這是一個簡化的二維模型，區域總長度為2000mm,總高度為500mm,下半部為一傾斜的沙子區域。水流從左上角的100mm高的進口流入，進入區域沖刷沙子，然后從右側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求解計算設置1．啟動Fluent-2D（1） 雙擊桌面Fluent14.0圖標，進入啟動界面。（2） 選中Dimension—2D單選按鈕，取消對DisplayOptions下的三個復選按鈕的選擇。（3） 其它保持默認設置即可，單擊OK按鈕進入Fluent14.0主界面窗口。2．讀入并檢查網格（1）執行菜單欄中的File—Read—Mesh命令，在彈出的SelectFile對話框中讀入convection.msh二維網格文件。（2）執行菜單欄中的Mesh—Info—Size命令，得到如圖5-3-3所示的模型網格信息：共有14342個節點，28411個網格面，14070個網格單元。（2）執行菜單欄中的Mesh—Check命令。反饋信息如圖5-3-4所示，可以看到計算域三維坐標的上下限，檢查最小體積和最小面積是否為負數。MeshSizeLeuelCellsFacesNodesPartitions014070284111434212cellzones,8facezones圖5-3-3網格數量信息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網格信息3．求解器參數設置單擊選擇左邊workspace中ProblemSetup—General命令，在出現的General面板中進行求解器的設置。General面板中，開啟重力加速度。單擊選中Gravity復選按鈕，Y(m/s2)文本框輸入-9.8,Time下選中Transient單選框，其它求解參數保持默認設置，如圖5-3-6所示。圖5-3-6圖5-3-6求解參數設置單擊選擇ProblemSetup—Model命令，對求解模型進行設置，如圖5-3-7所示。雙擊Models—Viscous-Laminar選項(或選中Viscous-Laminar,然后點擊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，如圖5-3-8所示，單擊OK按鈕，啟動k-e湍流方程。

圖5-3-7計算模型選擇圖圖5-3-7計算模型選擇圖5-3-8湍流模型選擇(7)再次回到Models面板，雙擊Multiphase-off選項，打開MultiphaseModel窗口。單擊選中Model下Eulerian單選按鈕，NumberofEulerianPhases設置為3，如圖5-3-9所示，單擊OK完成設置。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，在出現的Materials面板中對所需材料進行設置，如圖5-3-10所示。雙擊面板中的Materials—Fluid選項，彈出材料物性參數設置對話框，如圖5-3-11所示。材料物性參數設置對話框中，單擊FLUENTDatabase按鈕，打開FLUENTDatabaseMaterials窗口，FLUENTFluidMaterials下選擇water-liquid(h2ov1>)選項，如圖5-3-12所示，單擊Copy，復制水的物性參數。單擊Change/Create按鈕，保存對水物性參數的更改，單擊Close關閉窗口。Name文本框輸入sand，ChemicalFormula清空，Density(kg/m3)設置為2500，Viscosity(kg/m-s)設置為10,如圖5-3-13所示，單擊Change/Create按鈕，完成設置。

圖5-3-10材料選擇面板圖5-3-11空氣物性參數

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

圖5-3-21進口速度設置圖5-3-21進口速度設置圖5-3-22進口水體積分數設置5.3.3求解計算1．求解控制參數單擊選擇Solution—SolutionMethods命令，在彈出的SolutionMethods面板中對求解控制參數進行設置。Scheme下選擇Coupled算法，其他保持默認設置，如圖5-3-23所示。2．求解松弛因子設置(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行設置。面板中FlowCourantNumber設置為40,Momentum和Pressure都設置為0.5,VolumeFraction設置為0.4，如圖5-3-24所示。圖5-3-23求解方法設置圖圖5-3-23求解方法設置圖5-3-24松弛因子設置3．收斂臨界值設置(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，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完成設置。

圖5-3-25殘差設置面板圖圖5-3-25殘差設置面板圖5-3-26修改迭代殘差4．流場初始化設置(1)單擊選擇Solution—SolutionInitialization命令，打開SolutionInitialization面板。(2)在彈出的SolutionInitialization面板中進行初始化設置，保持默認設置，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,Variable下選擇VolumeFraction選項，設置Value值為1,如圖5-3-28所示，單擊Patch按鈕，完成設置。圖5-3-27流場初始化設定圖圖5-3-27流場初始化設定圖5-3-28流場初始相設置8．流動動畫設置(1)單擊選擇Solution—CalculationActivities命令，中間workspace彈出CalculationActivities面板，AutosaveEvery(TimeSteps)設置為3,表示每計算三個時間步，保存一次數

據，如圖5-3-29所示。（2） 單擊SolutionAnimations—Create/Edit按鈕，彈出SolutionAnimation對話框，設置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復選按鈕，Contoursof下第一個下拉菜單選擇Phases選項，Phase下選擇air選項，如圖5-3-32所示，單擊Display。（6） 單擊Display后，溫度監視窗口FLUENT[2]ANSYSInc中出現了初始時刻空氣相圖，如圖5-3-33所示。7）重復上述操作，完成對初始液相、固相的設置。圖5-3-29動畫設置17）重復上述操作，完成對初始液相、固相的設置。圖5-3-29動畫設置1圖5-3-30動畫設置2圖5-3-31動畫設置3圖5-3-31動畫設置3圖5-3-32動畫設置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。設置初始TimeStepSize為0.0001，NumberofIterations設置為100000，MaxIterations/TimeStep設置為20,表示每一個時間步最多進行20次迭代計算，如圖5-3-34所示。單擊Calculate按鈕進行迭代計算。

圖5-3-34迭代設置對話框5.3.4計算結果后處理及分析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數據，單擊選擇Results—GraphicsandAnimatiOn令，打開GraphicsandAnimations面板，如圖5-3-35所示，分別繪制上述三個時刻的空氣相云圖、液相云圖和固相云圖。圖5-3-35氣液相云圖繪制設置2)最終結果如圖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初始氣相云圖圖5-3-370.299s時刻氣相云圖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時刻氣相云圖圖5-3-390.900s時刻氣相云圖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時刻液相云圖圖5-3-430.900s時刻液相云圖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