（轮机工程专业论文）基于fluent的破舱船舶溢油的数值模拟.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着世界经济的不断发展，海上活动船舶数量的迅速增加，船舶溢油污染 的形势日趋严峻，成为破坏海洋生态系统、危害海洋环境的主要海洋污染源之 一。由于海洋溢油事件具有不受人为控制的突发性，加上海洋具有流动性的特 点以及油轮吨位趋于大型化，因此溢油具有性质复杂、危害严重、应急处置困 难等特性。一旦发生溢油事故，必须采取积极的行动措施，启动应急预案，将 溢油对海洋环境的影响降低至最小。而溢油量的确定、溢油轨迹的预测是应急 行动的前提，因此，需要一种根据破舱船舶油品泄漏原理能够动态计算破舱船 舶油品泄漏行为的预测模型，并在此基础上开发实用的泄漏控制原理，从溢油 “防止”和“控制”两个方面同时着眼，以期全面减少海上溢油风险及其造成 的危害。 本文采用非结构混合网格，f u j e n t 软件中的v o f 模型、s e 黟e g a t e d 、以 及压力速度耦合的p i s o 算法来模拟三维条件下的具有自由液面的、不互溶的、 油一水一气三相不可压缩非定常流动。数值计算中涉及的控制方程有流体的连 续性方程、动量方程( n a v i e r s t o k e s 方程) 。利用该数值模拟方法研究船舶碰撞后 船舶破损处附近油水气三相流体流动，可以从细观上观察泄漏特征，有助于研 究不同阶段的泄漏机理，能直观的给出油一气、水一气、油一水两相间自由界 面的位置，并充分考虑在实际过程中，油品泄漏中油水置换阶段的泄漏行为， 为实验研究提供有益的补充。对比f l u e n t 软件计算结果和实验结果，f l u e n t 软件计算结果与实验结果基本相同，证明用本文的计算方法得到的数值模拟计 算结果在定性上是符合实际的，具有可行性。同时能从定量上研究破损处溢油 速度及溢油量的大小、研究不同因素( 破孔面积、油面和海面高度差、油品种 类) 对该破损处溢油速度、溢油时间及溢油量大小的变化规律。 关键词：溢油模型，油一水一气三相流，溢油过程，数值模拟 术本论文研究得到浙江省白然科学摹会“破舱油船液货泄漏实时预测及挡制技术研究”( n o 2 1 0 3 7 0 3 0 3 0 9 ) 的资助。 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ew o d de c o n o m yc o n t i n u c st od e v e l o p ，t 1 1 em m i b e ro fs l l i p sa ts e aa c t i v i t i 鹤， m er 印i di n c r e a s ei n o i l s p i l lp o l l u t i o ni i lm ei n c r e a s i n 誊yd i 衔c u l ts i t u a t i o n p o l l u t i o n sc a u s e db ys h i p so i ls p i l la c c i d e n t ， h a v eb e c o m eo n eo fm 撕n e p 0 1 1 u t i o n s o u r c e sw h i c hh a n l l sm 撕n ee 1 1 _ v i r o n m 饥t ， d e s 仃o y ss e ae c o s y s t e m b e c a u s eo f u n e x p e c t e do i ls p i l le m e 略e n c ye v e n t sh a sn o tm a n - m a d ec o n t r o l ，c o u p l e dw i mm e m o b i l i 够o fo c e a n ，t a n k e rt o l l i l a g eb e c o m el a g e r ，s oh a st h en 咖r eo ft l l eo i ls p i l l c o m p l e x ，s 翻o u sd a m a g e ，e i i l e 曙e 1 1 c yh a i l d l i n gd i 伍c u l t i e s 锄do m e rc h a r a c t e r i s t i c s o n c eo c c l l ro i ls p i l la c c i d c l l tw em u s tt a k et l l ep o s i t i v em o t i o nm e 鲫j r e ，蛾i n e m e r g e i l c yp r e d e t e n n i n e dp l a l l l e a do i ls p i l l t 0r 。d u c es l i 曲t l yt on l em a 血e e n v i r o m e i l ti n f l u e i l c e t h ed e t e 力n i n a t i o no fo i ls p i l lv 0 l u m e ， l ef o r e c a s to fo i ls p i l l p a t hi st h ep r e m i s eo f t h ee i l l e r g e i l c ym o t i o n ，s on e e dap r e d i c t i o nm o d a lb a s o do nm e c 嘲ot a n k e rt h e o r yt od ”锄i cc a l c u l a t i o no fl e a l 【a g eo fl i q u i dt a n k e rd 锄a g e b e h a v i o r a 1 1 do nt l l i sb a s i s ，t 0d e v e l 叩o fap r a c t i c a lp r i n c i p l e so fl e a l ( a g ec o n t r o l ， 舶mm eo i ls p i l l ”p r e v e n t i n g ”锄d ”c o n t r o l ”，t or e d u c em eo i ls p i l lr i s k 锄dh a z a r d t h i sa n i c l eu s e st h ev o fm o d a l ，s e g r e g a t e d ，a sw e u 嬲t h ep r e s s u r es p e e d c o u p l i n gp i s oa l g o d f h mi nt h ef l u e n ts o r w a r et o s i m u l a t et h en o n c o n d e n s i b l e 锄du i l s t e a d yw i t ht i m en o wu 1 1 d e rm e u e ed i m e 堇l s i o n a lc o n d i t i o n ，t h j sf l o wh a v e t ：b e 缸es 曲c e ，n o tm u t u a l l ys o l u b l ea n dt 1 1 eo i l - w a t e r - a i rt l l r e e - p h a s e i nt l l ev a l u c c o m p u t a t i o ni n v o l v e st h ea c a d 锄i cm o d e lw h i c hi s 也en u i de q u a t i o no fc o n t i n u i t y ， t h em o m 印t u me q u a t i o n ( t l l en a v i e r - s t o k e se q u a t i o n ) t l l i sv a l u es i m u l a t i o nm e m o d i n v e s t i g a t eo i l w a t e r a i rt ：h r e e - p h a s en u i dn o wn e a rm es b j p sb r e a l 【a g ep l a c ea r e r s h i p sc o l l i s i o n ，f 而mt h em i c i i o s c o p i co b s e a t i o no fl e 矗k a g ep h a s e sc a nc o n t r i b u t et o s t l l d yt h ed i f f 旨e n tf e a t u r e s l e a k a g em e c h a n i s m ，c 锄d i r e c t v i e w i n g 舀v et h eo i l - g a s ， t h ew a t e r g a s ，m eo i l w a t e rt w oi n t e r a c t i o n 丘e ec o n t a c ts u r | a c ep o s i t i o n ，a 1 1 d 如l l y c o n s i d e rt l l ea c t u a lp r o c e s s ，i nm eo i l l e a l ( a g eo i la n dw a t e rr e p l a c 锄e n tp h a s e b e h a v i o r a l s oc a ns u p p l yu s e 如ls u p p l 锄e l l t a 巧f o rt l l ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h c o m p 撕s o no fn u m “c a l s i m u l a t i o na 1 1 d e x p 谢m e n t a lr e s u l t s ， c a l lp r o v et h e n l m l e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r eq u a l i t a t i v e l yr e a l i s t i c ，f e a s i b l e s i m u l t a n e o u s l yc a n 武汉理工大学硕士学位论文 s t l l d ym es p i l ls p e e d 锄do i ls p i l lv o l u m ei nt l l eb r e a l 【a g ep l a c e n ei n f l u e l l c eo f d i 绦獭1 tf a c t o r s ( s i z eh o l 鼯，n l eo i l 蛐r f a c e 雅ds e as u r f a c eh e i g l l td i f f e r 朗c e ，o i lt y p e ) o ns p e e do ft l l ed e 矗娥si n o i ls p i l l ，o i ls p i l lt i m ea n ds i z eo fo i ls p i l l sa tt l l eh o l ei s s t u d i e dq u a n t i t a t i v e l y k e yw o r d s ：o i ls p i l lm o d e l ：g a s - o i l w a t e r1 l h e e - p h a s ef l o w ；t h ep r o c e s so fo i l s p i l l ；n u m 嘶c a ls i m u l a t i o n h i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：j 区驾 日期：地：玉兰 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：可啪 导师( 签名) ：泖期沙扣了、了 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 综述了国内外相关研究现状，提出了对船舶溢油研究的意义和需要解决的 问题，并对研究内容进行了简要说明。 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 课题研究背景 随着世界经济的不断发展，水上运输作为历史悠久的运输手段也得到了迅 速发展，当前，船舶海上运输更是被称为“世界贸易载体”。但是，随着海上 活动船舶数量的迅速增加，船舶溢油污染的形势也r 趋严峻。有关资料统计， 海洋环境污染物中3 5 来源于船舶，在海洋中石油类污染中，船舶操作性排放 占3 3 ，油船海上事故排放占1 2 【1 1 。由此，船舶污染已经成为破坏海洋生态系 统、危害海洋环境的主要海洋污染源之一。 中国是当f ； 石油消费大国，自1 9 9 3 年从石油出口国转为石油净进口国以来， 石油进口数量不断上升，沿海的石油运输量大幅度增加，2 0 0 6 年我国沿海石油 运输量达到4 3 l 亿吨，其中运输原油1 8 7 亿吨，我国进口的石油9 0 是通过海 上船舶运输来完成的，2 0 0 6 年航行在中国沿海水域的船舶已达到4 6 4 万艘次， 平均每天1 2 ，7 0 0 艘次，其中各类油轮达到1 6 2 ，9 4 9 艘次，平均每天4 4 6 艘次【2 1 。 石油进口量的迅速增加，使港口和沿海油轮密度增加，油轮特别是超大型油轮 在我国水域频繁出现，使得原本就十分繁忙的通航环境更加复杂，由此可能会 导致船舶溢油污染，特别是将增加特大船舶溢油污染的风险。 表1 1 1 9 7 3 2 0 0 6 年我国重大船舶溢油事故档次表 溢油事故分档溢油t 总次数溢油量平均溢油f 1 1 总溢油 ( 吨) 次数( )( 吨)量( 吨) 鼙( ) 5 0 1 0 09136 4 07 11 7 1 0 0 5 0 04 36 21 0 2 6 32 3 92 7 7 5 0 0 1 0 0 01 0 1 5 7 2 6 3 7 2 61 9 6 1 0 0 0 以上 7 1 01 8 9 1 12 7 0 1 5 1 总计 6 91 0 03 7 0 7 75 3 71 0 0 武汉理工大学硕士学位论文 据统计，从1 9 7 3 年到2 0 0 6 年，我国沿海共发生大小船舶溢油事故2 6 3 5 次， 其中溢油5 0 吨以上的重大船舶溢油事故共6 9 次，总溢油量3 7 ，0 7 7 吨，平均每 年发生2 起，平均每起污染事故溢油量5 3 7 吨【2 1 。 海洋溢油事件具有不受人为控制的突发性，加上海洋具有流动性的特点以 及油轮吨位趋于大型化，因此溢油具有性质复杂、危害严重、应急处置困难等 特性。发生溢油事故后，从自然环境到野生动物，从自然资源到养殖资源等都 可能会受到不同程度的危害。油品本身具有毒性，流入海洋后多方面危害海洋 环境，破坏性极大。溢油及含油物质随着潮流漂移、扩散至沿岸，将对滩涂或 沿岸设施造成污染，导致海鸟死亡、鱼虾贝类中毒或死亡、渔具受损，使渔场 和养殖场蒙受损失；当溢油波及海岸时，会污染到海水浴场、港区码头、海滨 风景游览区、海岸设施等。由于石油具有不易分解的特性，在进行海洋溢油消 除时，几乎不可能将溢出油品完全清除，必然会有残油漂浮在海面，因此溢油 污染对海洋生态及沿岸环境的破坏必将是一个长期的过程【3 1 。 1 1 2 课题研究意义及内容 船舶溢油对海洋生态环境造成的损害已经引起全世界的目光。为了防止船 舶破损产生的溢油危害，一方面，需要制定相关政策，加强船舶管理，预防溢 油事故的发生，比如：国际海事组织( h n e m a t i o n a lm 撕t i m e0 r g a i l i z a t i o n b o ) 1 9 9 1 年修正了“经1 9 7 8 年议定书修订的1 9 7 3 年国际防止船舶造成污染公约( 简 称m a r p o l 7 3 7 8 公约) ”，规定6 0 0 t 以上的油船有义务具备双层外板，可采用 与其相同功能的结构( 目前指中间甲板) 【4 】；我国也自行公布了多条防止船舶溢油 的法案，如船上油污应急计划、中华人民共和国海洋环境保护法、中 华人民共和国防止船舶污染海域管理条例、中华人民共和国海洋倾废管理 条例等，并在沿海和内河的港口建立了船舶海上溢油事故的应急系统【4 】；另一 方面，一旦发生了溢油事故，必须要采取积极的行动措施，启动应急预案，将 溢油对海洋环境的影响降低至最小。而采取应急行动的前提是确定溢油量、预 测溢油轨迹，因此，需要一种根据破舱船舶油品泄漏原理建立的模型，此模型 能够动态模拟破舱船舶油品泄漏行为，并在此基础上开发实用的泄漏控制原理， 从溢油“防止和“控制”两个方面同时着眼，以期全面减少海上溢油风险及 其造成的危害。 武汉理工大学硕士学位论文 目前对于船舶油品的泄漏行为研究，还没有精确的模型来描述破损船舶的 泄漏情况，无法为海面油品扩散研究提供详细而精准的动态点源特征。本论文 拟针对破舱船舶采用多相流理论来模拟海洋环境中海水和原油在舱壁附近的耦 合运动行为，研究油品舱结构、油品物理性质和破舱情况等因素对油品泄漏速 度、泄漏总量和泄漏时间的影响规律，总结出油品泄漏行为机理模型，并利用 该数学模型为破舱船舶的油品泄漏控制提供理论依据。 论文的内容，可为海面油品物理化学行为预测提供详细的动态源强特征， 提高溢油海上物理化学预测模型的精确度和风险评估能力，有利于提出船舶破 舱事故应急处理的科学决策并产生良好经济效益和社会效益，对于减少船舶破 损油品泄漏事故的经济损失和海洋环境损害有着比较重要的价值和现实意义。 1 2 国内外研究现状 随着船舶溢油事故造成的危害和损失不断扩大，人们日益认识到油品泄漏 行为研究的重要性，因此，船舶溢油引起世界各国的重视，越来越多的科技人 员和专项资金投入到这方面研究上来。由于船舶油品泄漏行为的环境污染风险 以及庞大的研究成本，当前的研究很少采用直接的实船测试和实验，基本采用 模拟海洋环境下的模型实验这种替代方法来开展研究【5 1 。目自订国外对于船舶破舱 事故下的油品泄漏行为本身的研究不是很多，国内在该方向的研究更是少见。 国内外的研究和开发主要侧重于溢油扩散预测系统，研究溢油事故发生后 的溢出油的漂移和扩散等溢油轨迹运动以及一些清油产品的开发。该方面的研 究主要有溢油应急反应地理信息系统、溢油监测与信息收集系统、圈油栏、化 学清油剂等等。世界各国都积极参与海上溢油的监视和遥感监测，基本方法就 是航空遥感、卫星遥感和雷达遥感监测【7 捌。但是这些都是在防治船舶溢油事故 的发生以及事故发生后如何去计算溢油的轨迹运动，处理污染物和减少对环境 的破坏，没有提到在溢油时刻该如何正确的操作以减少油品的溢出和在有效的 时问内控制溢油现象。前人虽然在这方面的研究成果不多，但是也给我们留下了 许多有参考价值的资料和文献 国外方面，在理论研究上，s 锄u e l i d e s 等从船舶碰撞产生的能量来估计破舱 情况以及相应的泄漏量，是主要从能量守恒的角度对碰撞破损情况的一种预测， 为进一步准确估计溢油量提供一种理论参考【l l l 。其理论模型主要根据流体静力 武汉理工大学硕士学位论文 学原理，目前主要有四种模型，它们的基本原理基本相似，只是泄漏时间上有 一些区别。 j a f a y 分析了货物流体与船舶外海水之间的流体静力学压力总会达到平衡 状态，以此推断出泄漏量、泄漏持续时间和火灾燃烧时问均是破孔直径和破孔 位置的函数。同时指出了泄漏量、泄漏持续时间与舱内压力存在一定关系，却 没有着重研究破孔直径、破孔高度等因素对船舶油品泄漏速度、漏泄总量和总 泄漏时间的影响方面，并给出具体的关系【2 9 】。 g i e lf v a nd ew i d 等对油轮碰撞及搁浅溢油量概率性模型进行了研究，基 于仿真数据，开发一种油船在碰撞或搁浅事故下溢油量模型的新方法，并提出 单层底和双层底油船的特殊设计【3 6 】。 m o h a m m a dt a g l l it a v a l 【o l i ，j 巧唱e i la m d a l l l 完善了船舶事故破损时的油一水流 动分析方法，并研究了各种船壳配置的影响，用计算流体力学仿真验证了双层 底的优势，并且计算了溢油总量和瞬时溢油量，简化计算油一水的流动，估计 溢油量和损失比率。该分析方法可以扩展计算有波浪、潮汐变化及有浮力变化 的船舶溢油。他们得出船舶有双层底时可能不会减小溢油量，但是可以延迟溢 油行为【1 0 1 。 在控制技术开发方面，美国瑚研究团队经历l o 年时间投入1 0 0 万美元研 究经费开发出油船油品舱低压控制系( a u p s ) 【9 1 。他们根据m o s a i h u 提出的舱压 可控性的观点和实践，结合封闭空间蒸气压的变化特征建立单壳油舱在事故状 态下油品液货泄漏模型，采用计算机软件动态仿真计算三种不同余隙空间压力 条件下的泄漏行为，并利用模型研究方法验证诸多因素对泄漏行为的影响。他 们通过项目的前期研究，也发现了一些问题。例如学界现有的四种预测模型都 是根据流体静力学原理，用宏观方法研究泄漏行为，按照小孔模型来描述油品 动态泄漏，即破孔两侧的压力差作为油品泄漏的动力，压力差消失后泄漏也就 结束了。这种模型仅考虑了压力差对泄漏的影响，忽略了油品与海水因密度差 而发生的置换泄漏过程，因此其应用范围存在着明显的局限性，无法应用于实 际最易发生大面积破舱的泄漏情况，此外也没有考虑油品粘度、密度等因素对 泄漏行为的影响。因此不能全面的研究破舱泄漏的实际行为，按照上述原理提 出的油品泄漏控制技术自然存在着不足。 大连海事大学许多前辈在船舶溢油和f l u e n t 软件应用方面也留给了我们 许多宝贵的经验和资料。如大连海事大学许颖主要是从溢油量方面去观察和研 究溢油现象，她通过f l u e n t 软件来做模拟分析，利用该数值模拟方法从二维 4 武汉理工大学硕士学位论文 角度研究船舶碰撞后船舶破损处附近油水气三相流体流动，并研究不同因素对 该破损处溢油速度及溢油量大小的影响【1 3 】。大连海事大学刘彦呈针对海上溢油 应急处理问题，建立海上溢油的漂移、扩散、扩展、蒸发和乳化过程数学模型， 在短时间内计算预测溢油轨迹以及溢油影响的敏感区【7 1 。大连海事大学翟伟康、 熊德琪、廖国祥等人的基于“3 s ”和g s m 技术的近海溢油检测应用系统研究， 主要是用“3 s ”和g s m 有机集成中的关键技术以及系统计算溢油面积、溢油量， 并具有接收定位、溢油定位连续动态显示、信息查询、联机之间、控制中心与 应急单位互相预警等功能。该系统不仅能为溢油应急提供指导，同时也能为溢油 事故的仲裁和索赔提供科学依据【l6 1 。另外，天津大学李冰绯建立海上溢油模型， 以二维湍流扩散方程为基本控制方程，采用蒙特卡罗方法建立溢油的扩散漂移 轨迹，即先用欧拉一拉格朗日追踪质点法求得油膜的漂移扩散，在此基础上增 加了油膜扩散的随机数，并用水槽实验验证了油膜的扩散漂秽1 4 】。 1 3 本文工作 从前文的论述中可以得出，研究多种可能发生的情况下油品泄漏动态行为 时，首先要对其过程进行全面分析，对研究对象做出合理假设，适当简化后建 立油品泄漏的物理模型，然后进行数值模拟，得出计算结果后，最后用相关实 验去验证模拟的可行性。考虑由于油品泄漏导致舱内气压变化实际情况( 暂不 考虑油品的蒸发) ，本文将探索油品密度、液位、吃水、破孔面积和破孔位置 等影响因素对泄漏行为的影响规律，采用数值模拟的方法准确模拟破舱时油品 泄漏过程的微观行为作为实验研究的有机补充。 本文主要的工作是依据多相流理论建立溢油数学模型，应用流体力学计算 软件f l u e n t ，用数值模拟的方法模拟出油舱泄漏的油在静止海水中的溢出行 为，计算不同影响因素下船舶破损处的溢油量、溢油速度、溢油时间及泄漏的 油在海水中的运动特征，并充分考虑在实际过程中，油品泄漏中油水置换阶段 的泄漏行为，全面研究整个泄漏过程。 在本文中，数值模拟计算是其主要的内容，其中，建立的模型，设置的数 值计算程序，提出的计算模式，都具有一定的实用性和创新性。文中建立的模 型和计算模式则可在进一步改进完善后更真实的模拟油舱漏油过程，计算油舱 破损处溢油量大小及溢油时间，研究油水置换阶段的泄漏行为和溢油在海水中 的运动特征，也可以对实际的海上溢油做出动态预报。 5 武汉理t 大学硕士学位论文 全文共分为五章，其主要内容和结构如下： 第1 章阐述了课题背景、意义以及国内外研究现状、本文的内容。 第2 章首先介绍了f l u e n t 软件的特点、功能、计算流程，然后讲解了该 论文涉及的三相流的数值模拟的理论基础、流体力学基础知识、数值模拟计算 算法、多相自由界面的计算模型等。 第3 章介绍了溢油模型现状和原理，对溢油过程进行全面分析，对研究对 象做出合理假设，建立船舶油品泄漏的数值模拟模型，并设置模型的边界条件。 第4 章对水下破孔数值模拟油品泄漏速度、总泄漏量和泄漏总时间，对模 拟数据进行了处理，并分析船舶溢油行为随各个参数的变化规律，并利用实验 数据，对相关数据和现象进行了对比分析，从而得出最终的结论，在此基础上， 分析了油品物理性质、破孔面积及油面和海面高度差等因素对油品泄漏速度、 泄漏总量和泄漏时间的影响规律。 第5 章对全文进行了总结，并指出下一步要研究的方向。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章流体力学基础知识 介绍了论文中用到的流体力学相关知识( 包括流体的性质、流体流动的基 本方程等) 及流体力学计算软件f l u e n t 为船舶溢油研究提供理论基础。 2 1f l u e n t 软件介绍和应用 2 1 1f l u e n t 现状 f l u e n t 软件是用于计算流体流动和传热问题的程序，是当前国际上使用最 广泛的计算流体力学软件。1 9 8 3 年，美国的流体技术服务公司c r e a r ei i l c 的计算 流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n 锄i c s c f d ) 软件部推出了其第一个商用c f d 软件包f l u e n t 。f l u e n t 软件出现后，因为其先进的数值方法、丰富的物理 模型及高质量的技术支持和服务，很快成为c f d 市场的领先者【3 i 】。 f l u e n t 软件可依据计算结果调整网格，将对于精确求解有较大梯度的流 畅有很实际的作用。这种网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域罩进行， 而非整个流场，因此可以节约计算时间。在计算方法、编程、前后处理等方面 的先进性，可令使用者省去很多精力，去更多的研究问题的物理本质、参数的 设定、优化算法的选用，大大地提高了工作效率，计算结果也必将越来越准确， 必然也会解决越来越多的问题【3 。 2 1 2 程序的结构 f l u e n t 程序软件包包括： ( 1 ) g a m b i t - 一建立几何模型和生成网格。 ( 2 ) f l u e n t 一进行流动模拟计算。 ( 3 ) p r e p d f 一模拟燃烧p d f 燃烧过程。 ( 4 ) t g r i d _ 从现有的边界网格生成体网格。 利用f l u e n t 软件进行流体流动和传热的模拟计算流程如图2 1 所利3 8 j 。 首先利用g a m b i t 建立流动区域的几何模型、设置边界类型以及划分、生成网 武汉理工大学硕士学位论文 格，并在f i l e 菜单中e x p o n ( 输出) 以“i n s h 网格文件导入f l u e n t 中；然后 利用f l u d 盯软件对流动区域进行求解计算，并保存计算结果及对其后处理。 p d f 程序 g a m t 设置几何形状 生成2 d 或3 d 网格 2 d 或 3 d 网格 f l u e n t 网格输入及调整 物理模型 边界条什 流体物性确定 计算 结果后处理 几何形状 或网格 网格 图2 1 基本程序结构示意图 2 1 3f l u e n t 基本功能 其他软件包，如 c a d c a e t g r i d 2 d 二三角网格 3 d 心卣体网 2 d 和3 d 混合网格 f u j e n t 软件可以用于解决二维和三维流动问题，应用范围非常广泛，主 要有： 不可压缩或可压缩流动 稳态或瞬态流动 牛顿或非牛顿流体 辐射换热 无黏流、层流、湍流 对流热传导( 包括自然对流和混合对流) 耦合热传导和对流 多相流 惯性( 静止) 坐标系或非惯性( 转动) 坐标系模型 多孔流动 化学组分混合和反应( 包括燃烧模型和表面沉积反应模型) 复杂表面形状的自由表面流动 热量、质量、动量、湍流和化学组分盼源项 多重运动参考体系( 滑移网格界面和转子定子的交感作用的混合界面) 武汉理工大学硕士学位论文 颗粒、水滴和气泡的离散相的l a 伊如酉a l l 轨迹的计算 一维风扇、热交换器性能计算 上述各功能使f l u e n t 广泛的应用于航天、涡轮机械、船舶、汽车工业、 环境、热交换器、火灾研究、材料、建筑设计等领域f 3 8 】。总之，f l u e n t 是模 拟复杂流场结构的不可压、可压流动的比较理想的软件。f l u e n t 公司还提供 了其它几种求解器( 如p o l y f l o w 、t e k t o n 、f i d a p 、m i x s i m 以及i c e p a l ( ) 来解决不同的流动领域和模型。 2 1 4f l u e n t 解决问题的步骤 应用f l u e n t 软件进行求解的基本步骤如下【3 8 】： ( 1 ) 创建求解区域的几何图形，生成计算网格( 用g a m b i t ，也可以读入 其他指定程序生成的网格) 。 ( 2 ) 检查网格并输入f l u e n t 软件中。 ( 3 ) 运行合适的求解器( 2 d 或3 d ) 等。 ( 4 ) 读入“皿s h ”网格文件或已计算的“c a s ”文件。 ( 5 ) 选择求解方法：非耦合求解、耦合隐式求解、耦合显式求解程。 ( 6 ) 选择需要求解的基本方程：层流或湍流( 或无粘流) ，化学组分或化 学反应，传热模型等。确定其他需要的模型：风扇、多孔介质、热交换器等。 ( 7 ) 确定流体的材料物性。 ( 8 ) 输入边界类型及其边界条件。 ( 9 ) 调节计算控制参数。 ( 1 0 ) 流场初始化。 ( 11 ) 求解计算。 ( 1 2 ) 显示等值线图等，检查结果是否准确。 ( 1 3 ) 保存结果，进行后期处理。 ( 1 4 ) 若有需要则优化网格，改变参数或物理模型再求解计算。 其流程图如图2 2 所示： 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2f l u e n t 求解步骤 2 1 5f l u e n t 的数值求解方法 f l u e n t 软件中有三种不同的解算器： ( 1 ) 非耦合解算器( s e g r e g a t e ds o l v e r ) ； ( 2 ) 耦合隐式解算器( c o u p l e di m p l i c i ts 0 1 v e r ) ； ( 3 ) 耦合显式解算器( c o u p l e de x p l i c i ts o l v e r ) 。 三种求解方法都能在很大流动范围内提供比较准确的结果，但是在解决不 同的问题时下也各自有其优缺点。耦合解算器和非耦合解算器的连续性方程、 动量方程和各相方程的求解步骤不同，耦合求解方法是同时求解这些方程的， 而非耦合求解方法则是依次求解这些方程。两种求解方法都是在求解连续性方 l o 武汉理工大学硕士学位论文 程、动量方程和各相方程后再求解其他的标量方程。隐式求解和显式求解的不 同之处是线化耦合方程的方式【3 8 】。 非耦合求解方法主要用于解决不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动问 题。耦合求解方法则用于解决高速可压缩流体的流动问题【3 8 】。f l u e n t 软件默 认设置是非耦合求解，但是对于高速可压流动，或与体积力( 如浮力或离心力) 高耦合的流动，求解问题时要求网格比较密，采用耦合隐式求解方法求解能量 和动量方程能较快地得到收敛解。当然这也存在缺点如需要的内存比较大、求 解迭代时间是非耦合的1 5 到2 倍。耦合显式解算器也耦合了流动和能量及组分 方程，它的优点是比耦合隐式解算器需要的内存小，缺点是收敛时间比较长【3 2 】。 非耦合解算器中提供一些耦合解算器中没有的物理模型，比如：多相流模 型、混合组分p d f 燃烧模型、周期性热传导模型、污染形成模型、预混合燃烧 模型、制定质量流的周期流动模型、相变模型。用f l u e n t 模拟计算时，根据 解决不同问题的选择不同的求解方法【3 8 】。 2 1 6 边界条件的确定 利用f l u e n t 软件进行数值模拟计算，正确设置边界条件是非常重要的一 步。设置边界条件可以在g a m b i t 建模过程中设定，或者在f l u e n t 求解器中 对边界类型设定。 边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随时问和地点的变 化规律，是控制方程有确定解的日订提。对于任何问题，都需要给定边界条件。 边界条件的处理好坏，直接影响计算结果的精度【轫。 f l u e n t 提供了多种类型的流动进、出口条件，它们分别是【3 8 】： ( 1 ) 速度入口( v e l o c i t y - i n l e t ) ：给出入口边界的速度。给出进口速度及需要 计算的相关标量值。速度入口边界条件适用于解决不可压缩流动问题，不适合 用于可压缩问题，因为该入口边界条件会使可压缩入口处的总温或总压有一定 的波动。 ( 2 ) 压力入口( p r e s s u r e i n l e t ) ：给出进口的总压。该边界条件通常用于进口 流量或流动速度未知的流动，对于流体在入口处的压力已知的流动，可用于计 算可压和不可压问题，还可以用于处理自由边界问题。 武汉理工大学硕+ 学位论文 ( 3 ) 质量入口( m e s s f l o w i n l 曲：给定入口的质量流量，主要用于解决可压 缩流动问题。对于不可压缩流动，因为密度是常数，我们可以选择速度进口条 件。 ( 4 ) 压力出口( p r e s s u r e o u t l e t ) ：给定流动出口边界的静压。对于有回流的 出口流动，该边界条件比o u t n o w 边界条件更容易达到收敛。 ( 5 ) 压力远场( p r e s s u r e 缸f i e l d ) ：给定边界静压和温度及马赫数，可以是 亚音速、跨音速或者超音速，该边界条件只可用于解决可压缩流动问题。 ( 6 ) 自由出流( o u tf l o w ) ：该边界条件可以模拟在求解问题之前，无法知道 出口速度或者压力；该边界条件不需要给定出口条件( 除计算分离质量流、辐 射换热或者包括颗粒稀疏相问题之外) 。出口条件通过f l u e n t 内部计算得到， 不适用于下列条件： 包含压力进口条件； 可压缩流动问题； 有密度变化的非稳态流动问题( 即使是不可压缩流动) 。 ( 7 ) 进口通风( i n l e t v e n t ) ：进口通风边界条件需要给定入口损失系数，流 动方向和环境总压和总温。 ( 8 ) 进口风扇( i n t a k ef 觚) ：进口风扇边界条件需要给定压降、流动方向、 环境总压和总温。 ( 9 ) 出口通风( o u t l e tv e n t ) ：排出风扇给定损失系数、环境静压和静温。适 用于模拟出口通风情况。 ( 1 0 ) 排气扇( e x h a u s tf 抽) ：排风扇给定压降，环境静压。适应于模拟外部 排气扇。 ( 1 1 ) 固壁边界( w a l l ) ：对于黏性流动问题，f l u e n t 默认设置是壁面无滑 移条件。 2 1 7g a m b i t 软件介绍 g a m b i t 是为了帮助分析者和设计者建立并网格划分计算流体力学模型的 一个软件包。g a m b i t 通过它的用户界面( g u i ) 来接受用户的输入。g a m b i tg u i 可以简单、直接的完成建立模型、网格划分模型、指定模型区域大小等基本步 骤。g a m b i t 以其全面的几何建模能力和灵活易用的网格生成技术集成的优点， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 大大缩短了c f d 使用过程中建立几何模型和划分计算区域网格的时间，在目前 所有的c f d 前处理软件中，占据了重要地位【3 引。 g 舢订b i t 的灵活方便的几何修正功能，使得从接口中导入几何体时会自动 的合并重合的点、线、面；在保证原始几何精度的基础上通过虚拟几何自动的 缝合小缝隙，这样既可以保证几何精度，又可以满足网格划分的需要。删b i t 功能强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等c f d 特殊要求的高质量的 网格。网格类型有结构化网格和非结构化网格。其特有的网格划分算法能够保 证在比较复杂的几何区域里直接划分出高质量的六面体网格，t g r i d 方法可以 在极其复杂的几何区域中划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的网格。 g a m b i t 网格划分方法的选择完全是智能化的，当你选择一个几何区域后 g a m b i t 会自动选择出最合适的网格划分算法，能够保证最佳的网格生成，如 结构化的、非结构化的或混合网格，使网格划分过程变的极为容剔3 2 】。 生成网格后，要检查一下网格划分的质量。g a m b i t 的可视化网格检查技 术，能够明了的表示出网格质量，使用者可以查看单元扭曲、畸变、网格光滑 性等参数，根据需要进行细化或优化网格，从而保证数值模拟的计算质量。达 到网格质量要求后，根据模型要求定义边界类型( 比如壁面、压力进口或速度进 口、压力出口或速度出口等) 和计算区域( 流体或固体) ，最后输出网格文件，在 f i l e 菜单中e x p o n ( 输出) m s h 网格文件。其流程图如图2 3 所示。 2 2 流体的性质 2 2 1 惯性 图2 3g a m b i t 建立模型流程图 惯性指流体不受外力作用时，保持其原有运动状态的属性。惯性与质量有 关，质量越大，惯性就越大。单位体积流体的质量称为密度，用p 表示，单位 武汉理工大学硕士学位论文 为k 咖3 。对于均质流体，设其体积为乃质量为m ，则其密度为 p2 矿 对于非均质流体，密度随点而异。若取包含某点在内的体积y ， ，l ，则该点密度用极限方式表示为 ，l p = n m 矿_ o 矿 2 2 2 压缩性 ( 2 - 1 ) 其中质量 ( 2 - 2 ) 作用在流体上的压力变化可引起流体的密度变化或体积变化，这一现象称 为流体的可压缩性。压缩性用体积压缩率k 来表示： 素：尘坐：垡咝 和勿 ( 2 3 ) 式中：p 为外部压强。 在研究流体流动过程中，如果要考虑到流体的压缩性，则流动称为可压缩 流动，相应的流体称为可压缩流体，如高速流动的气体。若不考虑流体的压缩 性，则称为不可压缩流动，相应地称流体为不可压缩流体，如水、油等。 2 2 3 粘性 粘性( v i s c o s i t y ) 指在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质。粘 性大小由粘度来度量。流体的粘度是由流动流体的内聚力和分子的动量交换引 起的。粘度有动力粘度和运动粘度v 之分。动力粘度由牛顿内摩擦定律导出： 幽 t2 社_ 砂 式中：f 为切应力，单位为p a ；为动力粘度，单位p a s 剪切变形速率。 运动粘度与动力粘度的关系为： l ，：丝 p 式中：v 为运动粘度，朋2 s 。 1 4 ( 2 - 4 ) 如咖为流体的 ( 2 - 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 在研究流体流动过程中，若考虑流体的粘性时，称为粘性流动，相应的流 体称为粘性流体；当不考虑流体的粘性时，称为理想流体的流动，相应的流体 称为理想流体。 根据流体是否满足牛顿内摩擦定律，将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。 牛顿流体严格满足牛顿内摩擦定律且保持为常数。非牛顿流体的切应力与速 度梯度不成正比，一般又分为塑性流体、假塑性流体、胀塑性流体三种。 塑性流体，有一个保持不产生剪切变形的初始应力r 。，只有克服了这个初 始应力后，其切应力才与速度梯度成正比，即： 砂 ( 2 6 ) 假塑性流体切应力与速度梯度的关系是： “， 陋7 ， 弘l 万j 川 1 亿7 、 胀塑性流体切应力与速度梯度的关系是： 删斛- 弘引川m ( 2 - 8 ) 2 2 4 表面张力 在液体表面，界面上液体l 、日j 的相互作用力称为张力。液面上的分子受液体 内部分子吸引而使液面趋于收缩，表现为液面任何两部分之间具有拉应力，称 为表面张力。其方向和液面相切，并与两部分的分界线相垂直。正是这种力的 存在，会引起弯曲液面内外出现压强差以及常见的毛细现象等。 试验表明，表面张力大小与液面的截线长度l 成正比，即： r = 以 ( 2 9 ) 式中：仃为表面张力系数，它表示液面上单位长度截线上的表面张力，其 大小由物质种类决定，其单位为n m 。 2 2 5 定常流动与非定常流动 根据流体流动过程以及流动过程中的流体的物理参数是否与时间相关，将 武汉理t 大学硕士学位论文 流动分为定常流动与非定常流动。 定常流动( s t e a d yn o w ) ：流体流动过程中各物理量均与时间无关，这种流动 称为定常流动。