明渠的案例
【多相流】VOF中的明渠流動（9）
利用VOF公式和明渠邊界條件，Fluent可以對明渠流動(如河流、大壩和無邊界河流中的表面凸起結構)的影響進行模擬。這些流動涉及在流動的流體和它上面的流體之間存在一個自由表面(一般是大氣)。在這種情況下，波的傳播和自由表面的行為變得重要。流體一般受重力和慣性的作用。這一特性主要適用于海洋應用和通過排水系統的水流分析。明渠流動的特征受無量綱數弗勞德數控制，其定義為慣性力與靜水壓力之比。
其中，V是速度，g是重力加速度，y是長度尺度，在本例中，y是渠道底部到自由表面的距離。方程18.36中的分母是波的傳播速度。由固定觀察者所看到的波速被定義為：
根據弗勞德數，明渠流動可分為以下三類:
1 上游邊界條件
對于明渠流動的上游邊界條件，有兩種選擇:
pressure inlet
mass flow rate
1.1 pressure inlet
入口處的總壓可以表示為：
1.2 mass flow rate
與明渠流動相關的每個相的質量流量定義為：
1.3 Volume Fraction Specification
在明渠流動中，Fluent根據邊界條件對話框中指定的輸入參數在內部計算體積分數，因此該選項已被禁用。對于亞臨界進口流動(Fr < 1)，Fluent利用鄰近單元的數值重建邊界上的體積分數值。這可以通過以下程序來完成:
使用單元值計算邊界處體積分數的節點值。
使用內插的節點值在邊界的每個面計算體積分數。 對于超臨界進口流動(Fr > 1)，邊界上的體積分數值可以用自由表面距底部的固定高度來計算。
展開 ANSYS FLUENT之明渠流模型
ANSYS FLUENT之明渠流模型
定義
明渠流是一種具有自由表面，直接依靠重力作用而產生的流動（又稱無壓流）。
特點
具有自由液面，重力對流動起主導作用；
底坡的變化對斷面的流速、水深有直接影響；
水深在流程中會發生變化，不可能產生非恒定的均勻流。
分類
自然：河流，河口，海洋
人工：用于灌溉溝渠
波浪類型
深水波：深水波是指水深大于半個波長處的波浪。其水面附近的水質點運動比較顯著，水質點運動近似為一圓形，而波動隨深度的增加而逐漸微弱甚至靜止。其傳播速度只取決于波長，而與水的深度無關。
淺水波：淺水波是指水深h相對波長λ很小時（一般取h<1/20λ)的波動，又稱長波。傳播速度與波長無關，僅決定于水深。
幾種波浪模型
一階Airy線性波
高階Stokes非線性波
非線性橢圓余弦波/孤立波
FLUENT明渠流模型
波浪模型引入
Fluent中波浪模型，通過在VOF模型中激活
波浪模型包括：
一階Airy波
高階Stokes波
高階橢圓余弦波/孤立波
波浪譜（不規則波）
Pierson-Moskowitz譜
Jonswap譜
TMA譜
通過入口速度邊界條件面板可選擇不同的波浪模型。
數值消波
波浪模型最常見的問題之一是對下游邊界的數值模擬。通過設置
Numerical beach（數值海灘）通過在動量方程中增加阻尼項，可以有效降低從壓力出口邊界產生的數值反射。
在Cell Zone Conditions面板中可激活Numerical beach模型。
展開 明渠流動的VOF模型模擬 ￥2
明渠流動的VOF模型模擬
cas 和dat
FLUENT明渠邊界應用
FLUENT的VOF模型中，包含有明渠流動（Open Channel Flow）選項，同時含包含有造波邊界（Open Channel Wave BC），用戶還可以使用Numerical Beach選項進行邊界消波處理。想深入了解此功能的童鞋們，可以查看fluent文檔。這里我們以一個簡單的實例來說明這三個選項的使用方法。
1、問題描述
這里方便起見，以2D問題為例。水深2.7m，長度20m，水面標高0m。計算域如圖1所示。設置左側面為速度入口邊界，速度v=0.5m/s，右側面為自由出流邊界。采用open channel wave BC邊界需要設定入射波。本問題中，設定波高0.4m，波長2m，波頭角0°，相位角-270°。
圖1 問題描述
2、在workbench中建立模型
啟動workbench，拖拽方式加入fluent模塊，如圖2所示。右鍵點擊A2單元格，選擇Properties，在彈出的屬性框中設置Analysis Type為2D。雙擊A2單元格進入DM模塊。
圖2 加入fluent模塊
3、DM中建立幾何
選擇XYPlane進行草圖繪制（注意2D幾何必須創建與XY平面上）。進入Sketching標簽頁，選取合適的草圖繪制工具，繪制如圖1所示的幾何。草圖繪制完畢后，選擇Concept > Surface From Sketches，選擇Base Objects為繪制好的草圖，點擊Generate創建surface。退出DM模塊。
圖3 建立surface
4、劃分網格
雙擊圖2所示的A3單元格進入mesh模塊。為計算域劃分網格。在樹形菜單上點擊右鍵，選擇insert > Mapped Face Meshing，選擇幾何體，采用map方式劃分網格。
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CFD|大壩設計穩定性評價
如潰壩、泄洪、排澇等
明渠流動廣泛應用于天然河流、人工河道和專業水工建筑物中，在與明渠有關的水力學設計中，明渠斷面形狀、渠道形狀、底坡和渠道粗糙度應滿足最佳水力斷面和無沖淤流速的要求，以滿足河流或渠道系統的輸水能力。
其次，在滿足基本水力設計的基礎上，要滿足水閘、大壩、堰和泄水建筑物中水流的穩定流態，并盡量控制偏斜、脫墻、回流和渦流等不利流態。
對于泄水建筑物，還需要保證下游水流的連接形式和不同連接形式的消能方式，以減少回流和涌浪的影響。
part2 示例
該模型假設上游水是固定的，沒有額外的水源
入口邊界條件也可以根據實際情況進行修改
三維地形可以通過midas GTS NX獲取
從圖中可以看出，洪峰在16s達到監測點
假如這里有建筑物，可以提取建筑物上水流的壓力
part3.模型簡化分析方法-2D Dam Break
從圖中可以看出，洪峰在1.4s到達監測點
監測面最大平均壓力約為0.3MPa
水位線高程可以導出為TXT文本，并在其他繪圖軟件中繪制
文章來源：midas機械事業部
展開 使用Fluent進行船體CFD瞬態仿真 ￥5
流體體積或 VOF 模型用于求解此明渠流動示例。在此示例中，使用明渠波浪邊界條件生成淺層波浪，而使用動態網格對 wigley 船體的運動進行建模。使用用戶定義函數 (UDF) 將運動限制為 4 個自由度 (DOF)。為了避免出口處的數值反射（非物理結果/波浪反射），使用了數值海灘選項。 Fluent 案例文件供下載。
交付文件（2）
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技術精選案例第四期之#Ansys.Fluent#的精華內容
FLUENT明渠邊界應用
FLUENT的VOF模型中，包含有明渠流動（Open Channel Flow）選項，同時含包含有造波邊界（Open Channel Wave BC），用戶還可以使用Numerical Beach選項進行邊界消波處理。想深入了解此功能的童鞋們，可以閱讀本文——由張懷文分享的案例。該文將以一個簡單的實例來說明這三個選項的使用方法。
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基坑降水：這些參數和要點你都要熟記于心！
二、降水方法
1、集水坑降水
明渠加集水坑降水具有施工方便，費用低廉等特點，在施工現場應用的最為普遍。
在高水位地區基坑邊坡支護工程中，這種方法往往作為其它降水方法的輔助排水措施，它主要排除地下潛水、施工用水和天降雨水。
在地下水蓄量較小，地質條件較好的情況下，使用明渠和集水井可以清除基坑內積水。
但是在地下水較豐富地區，若僅單獨采用這種方法降水，由于基坑邊坡滲水較多，作業面泥濘不堪，有不利于結構物施工。因此，這種降水方法一般不單獨應用于高水位地區基坑邊坡支護中，通常會與降水井點或截滲幕墻配合使用。
2、截滲幕墻
截滲幕墻不能單獨作為降水方案，一般與明渠或井點降水配合使用。
截滲幕墻一般用于地下水非常豐富、地下水補給非堂快或需要特別對邊坡不穩定性、周圍建筑不均勻沉降進行控制的情況。
常見的有截滲墻、帷幕灌漿、鋼板樁等，在截斷地下水向基坑滲透的同時也對基坑的邊坡起到一定的支護作用。
同時，由于截滲幕墻的存在，基坑降水對幕墻以外的地下水影響程度大大減小，周圍建筑物的穩定性得到有效保障。
當然，截滲幕墻的施工需要較大的場地而且會產生較大噪聲，在建筑物密集區和居民區附近等地施工時會受到一些限制
3、輕型井點
輕型井點是國內應用很廣的降水方法，它比其它井點系統施工簡單快捷、經濟安全，特別適用于降水面積不大，地下水蓄量較小的情況。
展開 關于耦合流動定律的簡介
Darcy定律描述多孔介質中與管道有一定距離的慢速流動；Navier-Stokes方程應用于自由流動或明渠流動；在這兩者之間，存在多孔介質流，而其內剪切力不可忽略，就需要應用Brinkman或
Forcheimer方程。本例展示了如何應用地球科學模塊內建的方程組來模擬這一流態轉換過程。
本算例模擬了石油流向并流入一個孔井的流態轉換過程。首先，用耦合Darcy定律與Brinkman方程的方法，分析了多孔介質中的流動及其加速進入井筒的過程。然后，用耦合Darcy-Brinkman模型與Navier-Stokes方程的方法，模擬了進入井筒和其后的流體運動。與直覺相反，我們知道瞬態的Brinkman方程和Navier-Stokes方程相對來說比較容易求解。而本例采取的是穩態系統求解分析。
展開 城市排水體制的選擇和管理
不完全分流制只建污水排水系統,未建雨水排水系統,雨水沿著地面、道路邊溝和明渠泄入水體?；蛘咴谠星琅潘芰Σ蛔阒幮藿ú糠钟晁艿?待城市進一步發展或有資金時再修建雨水排水系統。該排水體制投資省,主要用于有合適的地形、有比較健全的明渠水系的地方,以便順利排泄雨水。目前還有很多城市在使用,不過因為沒有完整的雨水管道,在雨季容易造成徑流污染和洪、澇災害,所以最終還得改造為完全分流制。對于常年少雨、氣候干燥的城市可采用這種體制,而對于地勢平坦,多雨易造成積水地區,不宜采用不完全分流制。
分流制的優點是它可以分期建設和實施,一般在城市建設初期建造城市污水下水道,在城市建設達到一定規模后再建造雨水道,收集、處理和排放降水尤其是暴雨徑流水。
在一個城市中,有時采用的是復合制排水系統,即既有分流制也有合流制的排水系統。復合制排水系統一般是在由合流制的城市需要擴建排水系統時出現的。在大城市中,因各區域的自然 條件以及修建情況可能相差較大,因地制宜地在各區域采用不同的排水體制也是合理的。
二、城市排水體制的選擇
為了進一步改善受納水體的水質,建立理想的分流制或將合流制改為完全分流制系統,在排水體制的選擇上應改變觀念,允許部分地區在相當長的時間內采用合流制截流體系并將工作重點放在提高污水處理率上,這才是保護水體的根本方法。在對老城市合流制排水系統改造時要結合實際制定可行方案,在各地新建開發區規劃排水系統時也有必要充分分析當地條件、資金的合理運作,同時還要從管理水平、動態 發展 角度進行研究,不要盲目模仿、生搬條款。在已有二級污水處理廠的合流制排水管網中,適當的地點建造新型的調節、處理設施(滯留池、沉淀滲濾池、塘和濕地等)是進一步減輕城市水體污染的關鍵性補充措施。
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02 技術特色
03 操作步驟
第一步：上傳視頻——隨手拍攝，一鍵上傳
第二步：參數標定——四點校準，正射校正
第三步：計算流速——秒算結果，可視云圖
04 產品優勢
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展開 智能水位超限監測傳感器適用于溢流堰在排水管道中的水位控制監測
在排放口處修建的明渠式測流段要符合流量堰（槽）的技術要求。以上方法均可選用，但在選定方法時，應注意各自的測量范圍和所需條件。在以上方法無法使用時，可用統計法。
工采網的一款智能水位超限監測傳感器- CS-iWM-03安裝在下水井井口處，實時監測排水井的水位是否超過設定的水面高度，當超過水位線高度時，浮球液位開關狀態發生變化，狀態量經MCU采集處理后通過GPRS發送報警信息，同時當水面高度恢復正常后，再次發送正常的信號給監控中心，以便進行及時的報警處理及求援。智能水位超限報警器通過浮球液位開關來判斷水位是否超過設定的水位高號給監控中心，以便進行及時的報警處理及求援。智能水位超限報警器通過浮球液位開關來判斷水位是否超過設定的水位高。適用于溢流堰在排水管道中的水位控制監測。
展開 【CAE案例】針對阿根廷帕拉哈河的河流三向流模式數值模擬研究
01 概要
雖然在具有規則幾何形狀的明渠中，二次流的識別可能是明確直接的，但是在邊界松散和不規則的自然河道，情況并非如此。事實上，由于平面形狀不斷變化，河床地形多變，天然曲流河道的水動力學相當復雜。流場是三維的并且會在蜿蜒流的每個截面中產生橫向流動。
本文用TELEMAC-3D簡要分析了在阿根廷Colastiné河出口處測得的橫流特性，該處水流分為兩條幾乎成T形的分流。本文報告了使用兩個聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）在研究場地捕獲的橫流數據與用不同復雜程度模型獲得的數值解的比較結果。
02 模擬方法
幾何模型：計算域的各種數據由現場采集得到。建模時，計算域的數字地形模型（DTM）表示河床裸露表面，在河床和河岸高程數據之間盡量具有平滑過渡。
有限元模型：有限元法(FEM)被越來越多地用于研究河流和潮汐流的環境問題，原因之一是它能夠以高精度簡化邊界條件、底部地形和幾何復雜區域的處理。首先將二維區域劃分成不重疊的線性三角形，然后沿豎直方向將每個三角形擠壓成與底面和自由面完全匹配的線性棱柱體，得到三維有限元網格。計算域由非結構化三角網絡離散，網格由99345個棱柱體組成。
在TELEMAC 3D中有多種湍流閉合模型。這里采用了兩種不同的湍流閉合模型進行計算。
邊界條件規定如下：在流入邊界處，通過施加速度分布來規定所有流動分量；在出口邊界處，所有變量的法向梯度設置為零。流入流量為2416m3/s，出口邊界表面高度設定為13m。
時間步長設置為0.1s。初始條件包括水表面高度13m和速度分量為0。大約在10萬個時間步之后達到穩定狀態，對應約2小時45分物理時間。
03 模擬結果
實測各截面（XS）的數值模擬結果如下圖所示，沿著船道順流方向各截面依次編號為XS-0到XS-5。
展開 什么是水力學？？
水動力學
主要研究液體運動狀態下的力學規律及其應用，探討管流、明渠流、堰流、孔口流、射流多孔介質滲流的流動規律，以及流速、流量、水深、壓力、水工建筑物結構的計算，以解決給水排水、道路橋涵、農田排灌、水力發電、防洪除澇、河道整治及港口工程中的水力學問題。
水力學方法
1.對原型流動進行系統的觀察和測定，從原始數據中尋求流動規律，是水力學研究的最可靠的方法。它是水力學的精髓，也是水利研究的基本原則。
2.可在實驗室根據力學相似原理，找出影響流動的主要作用力，選用相應的模型律，以縮小的比例尺在模型上近似地重現和原型成一定比例的流動，根據模型流動的測定，估算原型流動的狀態和各種參數，是數理分析和實驗分析的重要補充，它是以白金漢提出的定理為依據，使有因次方程無因次化。這種方法，可以稱為試驗法或實踐法。
水力學基本量
水力學的基本量是長度、時間和質量。
理論法：
獨立因次的數目為三，用無因次方程代替有因次方程可以使變量減少三個，這在實驗分析中，可大量地減少實驗次數加速實驗進程。在理論分析中，可以更合理地提出變量關系式。
數值模擬法：
當研究對象過于復雜、控制方程非線性、邊界條件不規則，利用現有的數學力學方法難以得出解析解時，可以建立數值模型，編制程序，通過計算機運算得出數字結果或圖線。
水力學歷史
公元前400余年，中國墨翟在《墨經》中，已有了浮力與排液體積之間關系的設想。公元前250年，阿基米德在《論浮體》中，闡明了浮體和潛體的有效重力計算方法。1586年德國數學家斯蒂文提出水靜力學方程。十七世紀中葉，法國帕斯卡提出液壓等值傳遞的帕斯卡原理。至此水靜力學已初具雛形。
帕斯卡定律：不可壓縮靜止流體中任一點受外力產生壓力增值后，此壓力增值瞬時間傳至靜止流體各點。
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