頂蓋驅(qū)動流模擬的案例
OpenFoam之頂蓋驅(qū)動流模擬
對一個絕熱二維方腔的不可壓縮流算例進行前處理、運行、以及后處理。幾何如圖所示，方腔所有的邊界都是壁面，頂部壁面以 1m/s 的速度在 x 方向移動，其它壁面均為固定壁面。
開始，我們假定流體為層流，并使用 icoFoam 在一個均勻網(wǎng)格上求解絕熱不可壓層流。接下來將研究網(wǎng)格非均勻化以及壁面網(wǎng)格非均勻化對計算結(jié)果的影響。最后，增加雷諾數(shù)，使用另一個求解器 pisoFoam 來求解絕熱不可壓湍流。
第一步：生成網(wǎng)格
OpenFOAM 采用網(wǎng)格都是三維的 。默認(rèn)情況下， OpenFOAM 在三個維度上進行求解，但是如果指定某些面的邊界（例如垂直于第三個方向的平面）條件為 empty，那么它就可以用來求解二維算例。
幾何由一個 xy 平面上邊長為 0.1 米的正方形組成，這里幾何體我們稱為cavity。最開始將使用均一的 20*20 網(wǎng)格。block 結(jié)構(gòu)參見圖2-2. 我們采用 OpenFOAM 提供的 blockMesh 來生成網(wǎng)格，它通過讀取指定的字典文件來生成網(wǎng)格，這個字典文件位于算例文件夾下的 system/ployMesh 9 文件夾下。
blockMeshDict 文件信息如下所示：
文件的第一行到第七行是文件頭信息，然后具體的字典信息通過的 FoamFile 后的 (...) 來指定 10 。這個文件首先指定各個 block 頂點（vertices）的坐標(biāo)；然后通過頂點編號來定義 block，最后定義邊界面。用戶可以查閱5.3節(jié)來詳細(xì)了解 blockMeshDict 的具體意義。網(wǎng)格通過在這個算例目錄下運行 blockMesh 命令來生成。在算例目錄下，通過在終端簡單地鍵入：
blockMesh
來 完 成，blockMesh 命 令 會 把 運 行 的 情 況 輸 出 到 終 端。
展開 [案例分析]STARCCM+入門系列之——頂蓋驅(qū)動方腔流
本算例是為了驗證STAR CCM對于方腔流動的模擬性能。模型是一個二維邊長1m的正方形。各邊界條件如圖所示:
1，新建項目，導(dǎo)入網(wǎng)格，保存為cavityQuad.ccm。
2，查看導(dǎo)入網(wǎng)格，可以直接點擊工具欄中“show all mesh”(如下圖所示)，也可以在場景里顯示出來，沒具體操作步驟：右擊 Scenes，選擇New Scene > Mesh
3，選擇計算模型，選擇 Continua > Physics 1 > model，按照如下圖所示，選擇模型和材料
4，設(shè)置材料屬性。在如上圖所示的對話框內(nèi)，選擇Continua > Physics 1 > Models > Liquid > H2O > Material Properties，Density 修改為1.0 kg/m^3，Dynamic Viscosity修改為2.0E-4 Pa-s。
5，邊界條件設(shè)置。將左側(cè)，右側(cè)和底部的邊界合并（按住Ctrl，選擇三個邊界，右擊選擇Combine），將合并后的邊界命名為Stationary Wall，上壁面改名為“Moving Wall”
6，求解的可視化。STAR CCM提供了在求解問題過程中的變量的可視化，這些畫面可以隨著時間步或者迭代步不斷更新。本算例是為了觀測求解過程中速度的矢量變化圖，右擊Scenes選擇New Scene > Vector。
7，新建繪圖的線。為了與實驗結(jié)果進行對比，需要設(shè)置與實驗數(shù)據(jù)對應(yīng)的線。右擊Derived Parts， 選擇 New Part > Probe > Line，設(shè)置point1和point2的數(shù)值，并將零部件重命名為Simulation (U)。
展開 【CAE案例】基于二維水動力模型的密度驅(qū)動流模擬
其結(jié)果作為輸運模擬的初始狀態(tài)。曼寧系數(shù)為0.022，粘度為0.01 m2/s。輸運模擬的初始鹽度的由下式計算：
其中Li為含鹽水侵入到河流的長度，Reo為入海口處的雷諾數(shù)，F(xiàn)rdo為考慮密度的弗勞德數(shù)。計算得到的侵入長度為15329 m。入海口處的鹽度為38.5 kg/m3，假設(shè)鹽度沿河道的變化是均勻的，那么初始鹽度分布如下圖所示。
圖10 尼羅河入海口算例的初始鹽度分布圖
圖11為仿真時間一天后的各工況鹽度分布圖。可以發(fā)現(xiàn)，含鹽水的侵入長度在一天時間內(nèi)很快變小了。但對比工況A和B，工況A下仍然保持著一個更大的入侵深度。這說明密度差異帶來的流動更能抵抗上游來水的影響。對于工況C，其結(jié)果與工況A的比較相似。這些分析與前兩個理論情形算例得到的結(jié)論是一致的。
圖 11 仿真時間一天后的各工況鹽度分布圖
工況A：只考慮密度驅(qū)動；
工況B：只考慮擴散；
工況C：同時考慮擴散和密度驅(qū)動
03 案例總結(jié)
該案例使用二維水動力數(shù)值仿真研究了二維模型下密度分布不均帶來的影響，對比了擴散和密度驅(qū)動兩種作用的效果，發(fā)現(xiàn)密度驅(qū)動帶來的效應(yīng)比擴散作用更加明顯。
對密度驅(qū)動來說，河道地形也會對結(jié)果造成影響。在該案例中，梯形河道的鹽度分布變化速度要比矩形河道更快。而對于擴散而言，兩種河道的差異很小。此外，深水區(qū)的鹽度要比淺水區(qū)要高。在尼羅河入海口算例中，密度差異帶來的流動有效地抵抗了上游來水的影響，使得含鹽水的侵入長度沒有出現(xiàn)大幅的減小。
04 小結(jié)
在氣候變化的大背景下，海平面上升已成事實，入海口處的鹽平衡將被打破，或?qū)@些區(qū)域的生態(tài)等方面造成較大的影響。該案例展現(xiàn)了通用二維水動力軟件在模擬存在鹽度分布差異的水動力仿真能力，驗證了二維水動力在評估海平面上升對入海口區(qū)域的影響的可能性。
展開 基于二維水動力模型的密度驅(qū)動流模擬
該案例展現(xiàn)了通用二維水動力軟件在模擬存在鹽度分布差異的水動力仿真能力，驗證了二維水動力在評估海平面上升對入海口區(qū)域的影響的可能性。
文章來源：遠(yuǎn)算云仿真
邀請函 | OpenFOAM多相流基礎(chǔ)課程
1.2 Linux 的安裝及使用
1.3 文件目錄及用戶權(quán)限
1.4 bash 的基本命令
2 OpenFOAM 安裝及初次運行
2.1 OpenFOAM 簡介
2.2 安裝方法
2.3 文件結(jié)構(gòu)及環(huán)境變量
2.4 求解器與算法簡介
2.5 頂蓋驅(qū)動流模擬
