Fluent中如何考虑静水压力 |
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本文描述在Fluent中考虑静水压力的问题。 静水压指的是当区域内填满流体时,由于流体重力作用而额外产生的压力,其值为: 其中为流体密度;为重力加速度;为液位。10米水深产生的压力大约0.1MPa,多数情况下静水压力很小,计算过程中可以直接忽略掉,但如果流体的密度非常大,或者液位差异非常大,此时需要考虑附加的静水压力。 默认情况下,Fluent计算过程中不考虑静水压力。 1 测试模型下面用一个简单的模型来测试Fleunt中如何设置才能考虑静水压力。 测试几何模型如下图所示,其为一个长度10 m,宽度1.5 m,厚度1.5 m的水槽。厚度方向对静水压没有贡献,因此采用二维模型进行模拟。 ![]() 指定左侧为入口,右侧为出口,上下边界均为壁面。这里出口边界采用outflow,主要原因在于:如果使用Pressure outlet边界,指定的压力不利于对观察出口附近的静水压力。但压力出口并不会对静水压计算造成任何影响,有兴趣的话可以自行尝试。 ![]() 采用50 mm的网格尺寸,生成下图所示的计算网格。 ![]() 入口给定速度1 m/s,出口采用outflow边界,其他边界为壁面。流体介质为水,密度1000 kg/m3,动力粘度0.001 Pa.s。计算残差指定为1e-6。 2 不考虑重力加速度首先不考虑重力加速度,仅仅指定物性参数和边界条件,进行计算。 计算得到的速度分布如下图所示。速度分布并没有什么问题。 ![]() 压力分布如下图所示。从图中并未看出有任何静水压力。图中的静压反映的是流动阻力。 ![]() 指定重力加速度沿Y轴负方向,给定常数-9.81 m/s2。 ![]() 得到的速度如下图所示,和不加重力并无任何区别。 ![]() 得到的压力如下图所示,和不加重力加速度时的压力云图没有任何区别。 ![]() 前面的计算采用的是默认参考压力101325 Pa,这里将参考压力设置为0试试。 ![]() 速度分布如下图所示,修改操作压力并不会改变速度分布。 ![]() 压力分布如下图所示。修改操作压力的值并不会改变压力场的分布。但是如果想要看绝对压力的话,就不太对了(绝对压力当然不能为零)。主要是默认的参考压力位置为[0,0],其处在入口边界上。 ![]() 将参考压力点指定在出口位置,修改参考压力的位置为[10,0],如下图所示。 ![]() 此时计算得到的速度分布如下图所示,与前面的速度场完全一样。 ![]() 压力场发生了变化,此时最小压力位于出口位置,入口位置压力变为了正值。最小值可以视作0 Pa,这里的-1.05e-3可以当做是计算误差。但其实这并不重要,Fluent只保证相对压力的正确性,绝对压力并不是求解器求解出来的。 ![]() 修改操作压力无法得到静水压力。 5 修改操作密度还能修改什么?似乎只剩下操作密度了。问题是操作密度修改成多少呢? 如下图所示,先设置操作密度为水的密度1000 kg/m3试试。 ![]() 速度分布没有差异。 ![]() 压力分布没有变化。 ![]() 将操作密度设置为0,如下图所示。 ![]() 将操作密度指定为0后导致计算收敛极为困难(上面的方法中没有对solution进行任何参数设置,采用的是默认参数,且均收敛到1e-6)。 里在Controls面板的Advanced...对话框中调整流动方程的类型为W-Cycle,并指定稳定方法为BCGSTAB。这里只是控制收敛和稳定性,按道理不会影响计算结果。 ![]() 修改后计算能够残差能够下降到1e-6。 ![]() 速度分布没有任何差异。 ![]() 压力分布如下图所示,比较接近真相了。 ![]() 从数量级上是对得上的,查看出口面上压力分布,如下图所示,可以看到为线性分布(壁面附近斜率有细微差异,可忽略)。 ![]() 这个负压看着很别扭。将参考压力设置为101325Pa看看。 ![]() 速度分布没有任何差异。 ![]() 压力分布也没有任何差异。 ![]() 出口面上压力分布也完全相同。 ![]() 因此想要在Fluent计算过程中考虑静水压力,需要进行如下设置: 开启重力加速度指定操作密度为0另外还有以下结论: 操作压力的设置不会影响速度场和相对压力场产生,理论上可以任意设置操作压力的位置会对相对压力场产生数值上的影响其实想要考虑静压压力,除了可以指定操作密度为零外,也可以通过添加动量源来实现。 (完) |
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