基于Fluent的风洞典型风蚀地表风速廓线的模拟
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3) 湍流长度尺寸 : l = 0. 07L , L 为关联尺寸 ,对于 充分发展的湍流 ,取 L 等于水力直径 。
4) 湍动能 : k = 3 ( u I) 2 , u为平均速度 。 2
5 ) 湍动耗散率 : ε = Cμ3 /4 k3 /2 , Cμ 取 0. 09。
l
2. 3. 4 设置求解过程的监视参数 将各个变量的残差收敛判据设为 1e - 3,当相应
进行分析 ,则 : 标准差为
—
σ = Σ(X - X) 2
N
变异系数为
Vσ
σ
=
×100 %
X
根据上式得出在高度为 50, 100, 200, 398, 795mm
处的变异系数分别为 7. 14% , 4. 56% , 1. 98% , 2. 64% ,
2. 81% , 4. 03%。结果表明 , 3 条廓线吻合程度达到了
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2009年 1月 农 机 化 研 究 第 1期
Fluent提供了分离式和耦合式两种求解器 。分离
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2009年 1月 农 机 化 研 究 第 1期
了离散程度分析 。
关键词 : Fluent; 风洞 ; 风速廓线 ; 土壤风蚀 ; 数值模拟
中图分类号 : O 355 文献标识码 : A
文章编号 : 1003 - 188X (2009 ) 01 - 0035 - 03
0 引言
作为风洞 中 模 拟 大 气 边 界 层 应 满 足 的 相 似 参 数 之一 ,风速廓线的模拟在对大气边界层的模拟研究中 占有重要地位 。而作为功能最为全面 、适用性最广 、 国内使用最广泛的 CFD 软件之一 , Fluent广泛应用于 航空航天 、汽车 、船舶 、气象等领域 ,但目前应用于风 蚀风洞流场的数值模拟 ,特别是结合室内风洞试验对 野外典型风蚀地表的风廓特性进行模拟的情况很少 。 为此 ,笔者利用 Fluent软件对室内风洞试验进行数值 模拟 ,以此作为在风洞中模拟典型风蚀地表风速廓线 试验的基础 。
2009年 1月 农 机 化 研 究 第 1期
基 于 Fluent 的 风 洞 典 型 风 蚀 地 表 风 速 廓 线 的 模 拟
齐志伟 , 童淑敏 , 田建川 , 麻硕士
(内蒙古农业大学 机电工程学院 , 呼和浩特 0 100 18 )
摘 要 : 利用计算流体动力学 ( CFD ) 软件 Fluent对 OFDY - 1. 2 型 可 移 动 式 风 蚀 风 洞 中 模 拟 典 型 农 田 风 蚀 地 表
1 数值模拟原理
虽然能 量 守 恒 方 程 是 流 体 流 动 和 传 热 问 题 的 基 本控制方程 ,但是由于在风洞内的气流属于不可压流 动 ,热交换量很小 ,因此能量守恒方程可以不予考虑 。 另外 ,风洞内的气流流动处于湍流状态 ,因此除基本 的质量守恒方程和动量守恒方程外 ,还应该加入湍流 方程 。 2. 2 划分计算网格
图 5 风洞风速廓线测试系统框图
Fig. 5 Picture of the wind speed contour line’s test system
图 6示出了在风洞同一位置处由数值模拟 ,室内 风洞试验中棒栅 、尖塔 、粗糙元装置模拟 ,以及野外实
4 试验结果分析
地测试的风速廓线 。
对 3条廓线在同一高度下的 3种风速的离散程度
风蚀研究的试验要求 。
图 6 风速廓线的对比 Fig. 6 The contrast of w ind speed contour line
5 结束语
本文利用计算流体动力学 ( CFD )软件 Fluent,对
室内风蚀风洞采用棒栅 、尖塔和粗糙元模拟野外典型 风蚀地表风廓特性试验进行数值模拟 ,达到了风蚀试 验的要求 ,成功地解决了常规室内风洞风廓特性模拟 调试周期长 、试验困难的问题 ,为室内风蚀风洞模拟 试验起到了指导性作用 。作为土壤风蚀问题的基础 性研究 ,也为土壤风蚀研究提供了技术支持 。其对测 试评价实施各种保护性耕作措施后的农田表层土壤 抗风蚀能力 、防沙治沙 、保护环境等具有重要意义 。
The S imula tion of W ind Speed Con tour L ine of Typ ica l W ind Erosion Surface in W ind - tunnel Ba sed on Fluen t
Q i Zhiwei, Tong Shum in, Tian J ianchuan, M a Shuoshi
图 2 模型的网格划分 Fig. 2 Meshing partition of computing region
2. 3. 2 确定计算模型 Fluent在默认情况下只对流场进行求解 ,因此只
需对湍流计算所必须的粘性模型进行设置 。本模拟 选用目前较为成熟且应用最广泛的粘性模型 —标准 k
- ε模型进行计算 。 2. 3. 3 设置边界条件
图 3 残差曲线 Fig. 3 Curve of the residuals
计算完成后 ,利用软件在风洞模型距出口 2. 4m 处 轴线位置模拟出一条风速廓线 ,所模拟的风速廓线如 图 4所示 。
图 4 风速廓线 Fig. 4 Picture of the wind speed contour line
用 CFD 软件实现数值模拟基本原理为 :把物理量 在时间和空间上连续的场 ,用一系列有限个离散点上 的变量值的集合来代替 ,通过一定的原则和方式建立 起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组 , 然后求解代数方程组获得场变量的近似值 。通过这 种数值模拟 ,可以得到复杂问题的流场内各个位置上 的基本物理量的分布 ,以及这些物理量随时间的变化 情况 [1 ] 。
参考文献 :
[ 1 ] 王福军. 计算流体动力学分析 - CFD 软件原理与应用 [M ]. 北京 :清华大学出版社 , 2004.
[ 2 ] 熊莉芳 ,林源 ,李世武. k - ε湍流模型及其在 Fluent软件 中的应用 [ J ]. 工业加热 , 2007, 36 (4) : 13 - 15.
本风洞试 验 所 用 风 洞 为 内 蒙 古 农 业 大 学 研 制 的 0FDY - 1. 2型可移动式风蚀风洞 ,该风洞试验段长为 7. 2m ,风洞截面的高度为 1. 2m ,宽度为 1m。选用的 模拟装置为棒栅 +尖塔 +粗糙元 ,模拟对象是无植被 保护的翻耕地地表的风速廓线 。在 Gambit软件中所 建立的风洞模型 ,如图 1所示 。
图 1 风洞模型 Fig. 1 The p icture of wind - tunnel’s model
为了对棒栅 、尖塔和粗糙元周围的网格进行加密 , 对整个计算区域采用 Tet/Hybrid四面体网格单元进行 有限体积划分 。共划分 5个子区域 ,总共 1 320 080个 网格 ,如图 2 所示 。其中 , A 区为棒栅和尖塔所在区 域 ; D 区是粗糙元所在区域 ; B 区为过渡区 ;为减少计 算量 , C区和 E区设置为网格尺寸相对较大的区域 。 2. 3 Fluent计算 2. 3. 1 选择求解器及计算模式
( College of Electrical and M echanical, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China) Abstract: The paper used Fluent, a software of computational fluid dynam ics, to simulate the 0FDY - 1. 2 transportable w ind - tunnel indoor test in num erical. The test simulated w ind speed contour line of typ ical w ind erosion surface used the stick grid, steep le and rough unit. The research simulated the speed contour line by changing the size, shape and posi2 tion of sim ulative equipm ents. The end of the article analyzed discrete degree of the w ind speed contour line which m ade by the software, the w ind - tunnel indoor test and the field measurement. Key words: Fluent; w ind - tunnel, w ind speed contour line; soil’s w ind erosion; num erical simulate
风速廓线进行数值模拟 ,通过改变棒栅 、尖塔和 粗糙 元 的 尺 寸 、形 状 和 位 置 , 分 别 用 软 件 和 室 内 风 洞 实 验 模 拟 出
了与野外实地测试廓线相吻合的风速廓线 。同 时 , 对 野 外 实 测 、室 内 风 洞 模 拟 和 软 件 数 值 模 拟 的 风 速 廓 线 进 行
式求解器主要用于不可压流动和微可压流动 ,而耦合 式求解器用于高速可压流动 。本次试验选择分离式 求解器进行计算 。
结合风洞试验的实际情况选择 3D、稳态 、绝对速 度的计算模式 。
变量的残差在计算中达到 1e - 3时 ,均认wk.baidu.com计算已经 收敛 。 2. 4 计算结果及分析
迭代进行到 330 步时计算收敛 ,停止计算 ,残差 曲线如图 3所示 。
边界条件设置情况 : 风洞入口为速度入口 ,出口 为出流口 ,将风洞壁 、棒栅 、尖塔和粗糙元表面设置为 壁面 。
1) 雷诺数 : R e = ud / v, u 为流速 , v为运动粘度 , d 为管径 。
2 ) 湍流强度 : I = 0. 16 ( R eDH ) - 1 /8 , R eDH为按水力 直径 DH 计算得到的 Reynolds数 。
2 F luen t的求解过程
2. 1 建立控制方程
收稿日期 : 2008 - 02 - 24 基金项目 : 高等学校博士学科点专项基金资助项目 (20050129007) 作者简介 : 齐志伟 ( 1980 - ) , 男 , 内蒙古赤峰人 , 硕士研 究生 , ( E -
mail) qizhiwei119@163. com。 通讯作者 : 童淑敏 (1958 - ) ,女 ,呼和浩特人 ,教授 ,硕士生导师 。
3 室内风洞模拟试验
模拟装置采用棒栅 、尖塔 、粗糙元 。其形状 、尺寸 和摆 放 位 置 与 数 值 模 拟 的 模 型 一 致 。尖 塔 底 宽 100mm ,高 700mm ,间距 300mm ,距风洞入口 300mm; 粗糙元长宽高均为 25mm ,横向间距 50mm ,纵向间距 300mm ,第一排距入口 1 680mm ,共摆放 8排 。所用风 速廓线测试系统框图 ,如图 5所示 。
[ 3 ] 薄天利 ,郑晓静. 防沙栅栏风洞实验的数值模拟 [ J ]. 兰州 大学学报 (自然科学版 ) , 2005, 41 (5) : 97 - 101.
[ 4 ] 段云. 典型风蚀地况近地表风廓特性的风洞模拟研究 [D ]. 呼和浩特 :内蒙古农业大学 , 2006.
[ 5 ] 庞加斌 ,林志兴 ,陆烨. 关于风洞中用尖劈和粗糙元模拟 大气边界层的讨论 [ J ]. 流体力学试验与测量 , 2004, 18 (2) : 33 - 37.
4) 湍动能 : k = 3 ( u I) 2 , u为平均速度 。 2
5 ) 湍动耗散率 : ε = Cμ3 /4 k3 /2 , Cμ 取 0. 09。
l
2. 3. 4 设置求解过程的监视参数 将各个变量的残差收敛判据设为 1e - 3,当相应
进行分析 ,则 : 标准差为
—
σ = Σ(X - X) 2
N
变异系数为
Vσ
σ
=
×100 %
X
根据上式得出在高度为 50, 100, 200, 398, 795mm
处的变异系数分别为 7. 14% , 4. 56% , 1. 98% , 2. 64% ,
2. 81% , 4. 03%。结果表明 , 3 条廓线吻合程度达到了
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2009年 1月 农 机 化 研 究 第 1期
Fluent提供了分离式和耦合式两种求解器 。分离
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2009年 1月 农 机 化 研 究 第 1期
了离散程度分析 。
关键词 : Fluent; 风洞 ; 风速廓线 ; 土壤风蚀 ; 数值模拟
中图分类号 : O 355 文献标识码 : A
文章编号 : 1003 - 188X (2009 ) 01 - 0035 - 03
0 引言
作为风洞 中 模 拟 大 气 边 界 层 应 满 足 的 相 似 参 数 之一 ,风速廓线的模拟在对大气边界层的模拟研究中 占有重要地位 。而作为功能最为全面 、适用性最广 、 国内使用最广泛的 CFD 软件之一 , Fluent广泛应用于 航空航天 、汽车 、船舶 、气象等领域 ,但目前应用于风 蚀风洞流场的数值模拟 ,特别是结合室内风洞试验对 野外典型风蚀地表的风廓特性进行模拟的情况很少 。 为此 ,笔者利用 Fluent软件对室内风洞试验进行数值 模拟 ,以此作为在风洞中模拟典型风蚀地表风速廓线 试验的基础 。
2009年 1月 农 机 化 研 究 第 1期
基 于 Fluent 的 风 洞 典 型 风 蚀 地 表 风 速 廓 线 的 模 拟
齐志伟 , 童淑敏 , 田建川 , 麻硕士
(内蒙古农业大学 机电工程学院 , 呼和浩特 0 100 18 )
摘 要 : 利用计算流体动力学 ( CFD ) 软件 Fluent对 OFDY - 1. 2 型 可 移 动 式 风 蚀 风 洞 中 模 拟 典 型 农 田 风 蚀 地 表
1 数值模拟原理
虽然能 量 守 恒 方 程 是 流 体 流 动 和 传 热 问 题 的 基 本控制方程 ,但是由于在风洞内的气流属于不可压流 动 ,热交换量很小 ,因此能量守恒方程可以不予考虑 。 另外 ,风洞内的气流流动处于湍流状态 ,因此除基本 的质量守恒方程和动量守恒方程外 ,还应该加入湍流 方程 。 2. 2 划分计算网格
图 5 风洞风速廓线测试系统框图
Fig. 5 Picture of the wind speed contour line’s test system
图 6示出了在风洞同一位置处由数值模拟 ,室内 风洞试验中棒栅 、尖塔 、粗糙元装置模拟 ,以及野外实
4 试验结果分析
地测试的风速廓线 。
对 3条廓线在同一高度下的 3种风速的离散程度
风蚀研究的试验要求 。
图 6 风速廓线的对比 Fig. 6 The contrast of w ind speed contour line
5 结束语
本文利用计算流体动力学 ( CFD )软件 Fluent,对
室内风蚀风洞采用棒栅 、尖塔和粗糙元模拟野外典型 风蚀地表风廓特性试验进行数值模拟 ,达到了风蚀试 验的要求 ,成功地解决了常规室内风洞风廓特性模拟 调试周期长 、试验困难的问题 ,为室内风蚀风洞模拟 试验起到了指导性作用 。作为土壤风蚀问题的基础 性研究 ,也为土壤风蚀研究提供了技术支持 。其对测 试评价实施各种保护性耕作措施后的农田表层土壤 抗风蚀能力 、防沙治沙 、保护环境等具有重要意义 。
The S imula tion of W ind Speed Con tour L ine of Typ ica l W ind Erosion Surface in W ind - tunnel Ba sed on Fluen t
Q i Zhiwei, Tong Shum in, Tian J ianchuan, M a Shuoshi
图 2 模型的网格划分 Fig. 2 Meshing partition of computing region
2. 3. 2 确定计算模型 Fluent在默认情况下只对流场进行求解 ,因此只
需对湍流计算所必须的粘性模型进行设置 。本模拟 选用目前较为成熟且应用最广泛的粘性模型 —标准 k
- ε模型进行计算 。 2. 3. 3 设置边界条件
图 3 残差曲线 Fig. 3 Curve of the residuals
计算完成后 ,利用软件在风洞模型距出口 2. 4m 处 轴线位置模拟出一条风速廓线 ,所模拟的风速廓线如 图 4所示 。
图 4 风速廓线 Fig. 4 Picture of the wind speed contour line
用 CFD 软件实现数值模拟基本原理为 :把物理量 在时间和空间上连续的场 ,用一系列有限个离散点上 的变量值的集合来代替 ,通过一定的原则和方式建立 起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组 , 然后求解代数方程组获得场变量的近似值 。通过这 种数值模拟 ,可以得到复杂问题的流场内各个位置上 的基本物理量的分布 ,以及这些物理量随时间的变化 情况 [1 ] 。
参考文献 :
[ 1 ] 王福军. 计算流体动力学分析 - CFD 软件原理与应用 [M ]. 北京 :清华大学出版社 , 2004.
[ 2 ] 熊莉芳 ,林源 ,李世武. k - ε湍流模型及其在 Fluent软件 中的应用 [ J ]. 工业加热 , 2007, 36 (4) : 13 - 15.
本风洞试 验 所 用 风 洞 为 内 蒙 古 农 业 大 学 研 制 的 0FDY - 1. 2型可移动式风蚀风洞 ,该风洞试验段长为 7. 2m ,风洞截面的高度为 1. 2m ,宽度为 1m。选用的 模拟装置为棒栅 +尖塔 +粗糙元 ,模拟对象是无植被 保护的翻耕地地表的风速廓线 。在 Gambit软件中所 建立的风洞模型 ,如图 1所示 。
图 1 风洞模型 Fig. 1 The p icture of wind - tunnel’s model
为了对棒栅 、尖塔和粗糙元周围的网格进行加密 , 对整个计算区域采用 Tet/Hybrid四面体网格单元进行 有限体积划分 。共划分 5个子区域 ,总共 1 320 080个 网格 ,如图 2 所示 。其中 , A 区为棒栅和尖塔所在区 域 ; D 区是粗糙元所在区域 ; B 区为过渡区 ;为减少计 算量 , C区和 E区设置为网格尺寸相对较大的区域 。 2. 3 Fluent计算 2. 3. 1 选择求解器及计算模式
( College of Electrical and M echanical, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China) Abstract: The paper used Fluent, a software of computational fluid dynam ics, to simulate the 0FDY - 1. 2 transportable w ind - tunnel indoor test in num erical. The test simulated w ind speed contour line of typ ical w ind erosion surface used the stick grid, steep le and rough unit. The research simulated the speed contour line by changing the size, shape and posi2 tion of sim ulative equipm ents. The end of the article analyzed discrete degree of the w ind speed contour line which m ade by the software, the w ind - tunnel indoor test and the field measurement. Key words: Fluent; w ind - tunnel, w ind speed contour line; soil’s w ind erosion; num erical simulate
风速廓线进行数值模拟 ,通过改变棒栅 、尖塔和 粗糙 元 的 尺 寸 、形 状 和 位 置 , 分 别 用 软 件 和 室 内 风 洞 实 验 模 拟 出
了与野外实地测试廓线相吻合的风速廓线 。同 时 , 对 野 外 实 测 、室 内 风 洞 模 拟 和 软 件 数 值 模 拟 的 风 速 廓 线 进 行
式求解器主要用于不可压流动和微可压流动 ,而耦合 式求解器用于高速可压流动 。本次试验选择分离式 求解器进行计算 。
结合风洞试验的实际情况选择 3D、稳态 、绝对速 度的计算模式 。
变量的残差在计算中达到 1e - 3时 ,均认wk.baidu.com计算已经 收敛 。 2. 4 计算结果及分析
迭代进行到 330 步时计算收敛 ,停止计算 ,残差 曲线如图 3所示 。
边界条件设置情况 : 风洞入口为速度入口 ,出口 为出流口 ,将风洞壁 、棒栅 、尖塔和粗糙元表面设置为 壁面 。
1) 雷诺数 : R e = ud / v, u 为流速 , v为运动粘度 , d 为管径 。
2 ) 湍流强度 : I = 0. 16 ( R eDH ) - 1 /8 , R eDH为按水力 直径 DH 计算得到的 Reynolds数 。
2 F luen t的求解过程
2. 1 建立控制方程
收稿日期 : 2008 - 02 - 24 基金项目 : 高等学校博士学科点专项基金资助项目 (20050129007) 作者简介 : 齐志伟 ( 1980 - ) , 男 , 内蒙古赤峰人 , 硕士研 究生 , ( E -
mail) qizhiwei119@163. com。 通讯作者 : 童淑敏 (1958 - ) ,女 ,呼和浩特人 ,教授 ,硕士生导师 。
3 室内风洞模拟试验
模拟装置采用棒栅 、尖塔 、粗糙元 。其形状 、尺寸 和摆 放 位 置 与 数 值 模 拟 的 模 型 一 致 。尖 塔 底 宽 100mm ,高 700mm ,间距 300mm ,距风洞入口 300mm; 粗糙元长宽高均为 25mm ,横向间距 50mm ,纵向间距 300mm ,第一排距入口 1 680mm ,共摆放 8排 。所用风 速廓线测试系统框图 ,如图 5所示 。
[ 3 ] 薄天利 ,郑晓静. 防沙栅栏风洞实验的数值模拟 [ J ]. 兰州 大学学报 (自然科学版 ) , 2005, 41 (5) : 97 - 101.
[ 4 ] 段云. 典型风蚀地况近地表风廓特性的风洞模拟研究 [D ]. 呼和浩特 :内蒙古农业大学 , 2006.
[ 5 ] 庞加斌 ,林志兴 ,陆烨. 关于风洞中用尖劈和粗糙元模拟 大气边界层的讨论 [ J ]. 流体力学试验与测量 , 2004, 18 (2) : 33 - 37.