基于FLOW3D的计算平台水沙模拟研究论文.doc

存档编号 North China University of Water Resources and Electric Power毕业论文题目基于FLOW-3D计算平台的水沙模拟研究子课题B学 院水利学院专 业港口航道与海岸工程姓 名王宏飞学 号201103602指导教师薛 海完成时间独立完成与诚信声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文）是本人在指导教师的指导下，独立工作所取得的成果并撰写完成的，郑重确认没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。毕业设计（论文）作者签名： 指导导师签名： 签字日期： 签字日期：毕业设计（论文）版权使用授权书本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用毕业设计（论文）的规定。特授权华北水利水电学院可以将毕业设计（论文）的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交毕业设计（论文）原件或复印件和电子文档（涉密的成果在解密后应遵守此规定）。毕业设计（论文）作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期摘 要4Abstract5第一章 流体力学简介71.1 流体力学（CFD）简介71.1.1 流体力学（CFD）的特点71.1.2 流体力学（CFD）的控制方程81.1.3 流体力学（CFD）的求解过程10第一章 FLOW-3D软件简介142.1 FLOW-3D软件简介142.1.1 FLOW-3D软件的特点142.1.2 FLOW-3D软件的核心技术162.1.3 FLOW-3D的相关应用软件18第三章 FLOW-3D软件模拟功能初探203.1 FLOW-3D模拟流程分析203.2 FLOW-3D算例简介213.3 FLOW-3D算例目的223.4 FLOW-3D算例模拟过程223.4.1 模型简化223.4.1 FLOW-3D工作窗介绍233.4.2 FLOW-3D模拟过程243.5 FLOW-3D算例模拟结果303.5.1 分析参数设定303.6 本章小结39第四章 FLOW-3D在曲线型实用堰设计中的运用探究404.1 研究背景40 4.2 曲线型实用堰40 4.3 曲线型实用堰剖面介绍40 4.4 曲线型实用堰研究意义42 4.5 曲线型实用堰优化设计及水流压强、流速分布43 4.5.1曲线型实用堰模型简化43 4.5.2 工况设置44 4.5.3 模型参数设置45 4.5.4 模拟结果分析46 4.6 实用堰挑流水舌分析49 4.6.1建立不同工况50 4.6.2运用FLOW-3D模拟计算四种工况的水舌变化51 4.6.2模拟结果57 4.6.3用理论计算值检验模拟运算结果57 4.6.4结果分析594.7本章小结61第五章 结论与展望625.1 本文研究成果625.1.1 平顶型底坎的闸孔出流模拟结论625.1.2 实用堰模拟结论625.2 展望63参考文献65外文翻译65基于FLOW-3D计算平台的水沙模拟研究 子课题B摘 要FLOW-3D是高效能的仿真计算工具，它能够根据用户自行定义的多种物理模型，应用于各种不同的工程领域。FLOW-3D可以描述非常复杂的流场运动，精确预测自由液面流动，同时多网格区块建立技术能够大幅度的提升计算效率。完善的功能使其广泛应用于水利、铸造、船舶、航天、微机电等行业。本文应用FLOW-3D软件，对平顶型底坎的闸孔出流、曲线型实用堰剖面进行了模拟，并对所得的模拟结果进行了相应的成果分析和理论分析，验证了FLOW-3D软件的解决实际工程问题的能力，同时也为以后解决相关问题提供了一条新的思路。通过运用FLOW-3D软件进行数值模拟，本文主要进行了以下工作：（1）通过对不同工况的平顶型底坎的闸孔出流的模拟，介绍了FLOW-3D进行模拟计算的具体操作步骤。并通过对模拟结果的观察，可以清晰的看到在闸孔下游（0.5-1.0）e距离处，形成水深为hc的最小的收缩断面，验证公式hc=2e的正确性，反映了FLOW-3D软件反应实际问题的能力。（2）基于FLOW-3D软件，对于曲线型实用堰剖面设计作了系统地分析，根据模拟的不同剖面，对比其堰面压强、过堰水流及对下游水流的影响，选择压面负压区小、过流能力相对较大、下游水流稳定的剖面设计；之后，依据选取的堰型剖面，进一步设计其末端的挑坎，针对其挑角，设立四种工况，旨在研究挑角对挑流水舌的影响。通过模拟发现，随着挑流角度（约在45以内）的增大，水流挑射高度也就越高，空中射程越远，这与理论计算结果高度吻合。关键词：FLOW-3D；闸孔出流；实用堰；挑角FLOW-3D-based Computing Platform For Numerical Simulation Of Water And Sediment The Topic BAbstract FLOW-3D is a high-performance simulation tools, it can accorded to the users defined various physical model, and applied in various fields of engineering. FLOW-3D can describe very complex flow field sports and accurate prediction of free surface flows, with Multi-Block Meshing technique ,you can get efficiency and speed. As a result of its consummate function, it was Widely used in casting, water, ship, space, micro-electromechanical industry and so an. In this paper,with FLOW-3D software, Plate type flat bottom brake orifice discharge, lthe practical curved weir profile was simulated, And the corresponding results of the simulation results of the analysis and theoretical analysis, Not only verified the ability of FLOW -3D software to solve practical engineering problems, but also provided a new way of thinking to solve related problems for the future. By applying FLOW-3D numerical simulation software， this paper is primarily for the following: (1) Through to the different condition of p type flat bottom gate opening out the FLOW simulation, this paper introduces the FLOW-3D simulated concrete operation steps. And through observation of the simulation results, can see clearly in the downstream of the gate opening distance (0.5-1.0) e, form the minimum water depth for the hc contraction section, verify the correctness of the formula of hc=2e, reflects the FLOW-3Dsoftware reaction to the actual problem ability. (2) Based on the FLOW-3D software, the practical curved weir profile designs have been systematically analysed. According to the different sections of the weir and contrasted the surface pressure, the flow and the influence on downstream flow, we select the section whose surface pressure are small, the capacity of flow water is relatively large and the downstream flow is stable .Then, based on the weir surface profile which we select to design the trajectory bucket, as to the bucket angle, we set up four conditions that aims to study the effect of trajectory angle. According to the simulation, with the trajectory angle (within 45 degrees) increasing, the height is higher and the trajectory distance is farther, and the results fit nicely with the theoretical results.Key Words: FLOW-3D ；Brake orifice discharge ；weir ；trajectory angle 第一章 流体力学简介1.1 流体力学（CFD）简介 在自然界及各种工程领域中存在着大量流体流动现象。随着认识的深入、科学技术的发展、计算机的出现以及计算技术的迅速发展，从而产生了计算流体力学这门重要学科。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是以数值离散方法为数学基础，借助于计算机求解描述流体运动的基本方程，研究流体运动规律的学科。1CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理的场，如速度场和压力场，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。CFD可以看做是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程 )控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。1.1.1 流体力学（CFD）的特点计算流体力学的兴起促进了试验研究和理论分析方法的发展，为简化流动模型的建立提供了更多的依据。使很多分析方法得到发展和完善。更重要的是计算流体力学采用它独有的新的研究方法数值模拟方法研究流体运动的基本物理特性。这种方法的特点如下：(1)给出流体运动区域内的离散解，而不是解析解。这区别于一般理论分析方法；(2)它的发展与计算机技术的发展直接相关。这是因为可能模拟的流体运动的复杂程度、解决问题的广度和能模拟的流体运动的复杂程度，都与计算机速度、内存等直接相关；(3)若物理问题的数学提法（包括数学方程及其相应的边界条件）是正确的，则可在较广泛的流动参数（如马赫数、雷诺数、气体性质、模型尺度等）范围内研究流体力学问题，且能给出流场参数的定量结果。CFD有自己的原理、方法和特点，数值计算与理论分析、实验观测相互联系、相互促进。但不能完全替代，三者各有各的适用场合。在实际工作中，需要注意三者有机的结合，争取做到取长补短。2表1-1 三种流体研究方法比较流体问题研究方法优点缺点理论分析方法所得结果具有普遍性并且影响因素清晰可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。实验测量方法实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础。实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制有时可能于很难通过试验方法得到结果。实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费发周期长等许多困难。计算流体力学适应性强、应用面广、省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。物理过程在所研究问题公式化的过程中，并没有被正确地涵盖进去。1.1.2 流体力学（CFD）的控制方程任何流体流动都遵循三个基本定律，这些基本定律都可以由偏微分数学方程表征出来：(1)质量守恒定律 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。在流场中，流体通过控制面 A1 流入控制体，同时也会通过另一部分控制面 A2 流出控制体，在这期间控制体内部的流体质量也会发生变化。按照质量守恒定律，流入的质量与流出的质量之差，应该等于控制体内部流体质量的增量，由此可导出流体流动连续性方程的积分形式为： （1-1）式中：V 表示控制体，A 表示控制面。等式左边第一项表示控制体V 内部质量的增量；第二项表示通过控制表面流入控制体的净通量。 根据数学中的奥-高公式，在直角坐标系下可将其化为微分形式： （1-2）对于不可压缩均质流体，密度为常数，则有 （1-3）对于圆柱坐标系，其形式为 （2-4）对于不可压缩均质流体，密度为常数，则有 （1-5） （2）动量守恒定律动量守恒是任何流动系统都必须满足的基本定律。该定律可表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。其数学表达式即为动量守恒方程，也称为运动方程，或N-S 方程，其微分形式表达如下： (1-6) 式中： 、分别是单位质量流体上的质量力在三个方向上的分量； 是流体内应力张量的分量。 (3)能量守恒定律 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。该定律实际是热力学第一定律。 流体的能量E 通常是内能i 、动能K 和势能P 三项之和，我们可针对总能量E 建立能量守恒方程(energy conseravation equation) (1-7)事实上CFD就是采用空间或者时间上的数字化方法，通过解控制偏微分方程，以得到所研究整个流场的最终数字化描述。通过这种数值描述，从中可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理。此外，与CAD联合，还可进行结构优化设计等。1.1.3 流体力学（CFD）的求解过程无论是流动问题、传热问题，还是污染物的运移问题，如果所求解的问题是瞬态问题，则可将其过程理解为一个时间步的计算过程，循环这一过程求解下个时间步的解。下面对各求解步骤做一简单介绍。3（1） 建立控制方程建立控制方程，是求解任何问题前都必须首先进行的。一般来讲，这一步是比较简单的。因为对于一般的流体流动而言，可直接写出其控制方程。（2） 确定边界条件与初始条件初始条件与边界条件是控制方程有确定解的前提，控制方程与相应的初始条件、边界条件的组合构成对一个物理过程完整的数学描述。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。对于瞬态问题，必须给定初始条件。对于稳态问题，不需要初始条件。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地点和时间的变化规律。对于任何问题，都需要给定边界条件。例如，在锥管内的流动，在锥管进口断面上，我们可给定速度、压力沿半径方向的分布，而在管壁上，对速度取无滑移边界条件。初始条件和边界条件直接影响计算结果的精度。（3） 划分计算网格采用数值方法求解控制方程时，都是想办法控制方程在空间区域上进行离散，然后求解得到的离散方程组。要想在空间域上离散控制方程，必须使用网格。现已发展出多种对各种区域进行离散以生成网格的方法，统称为网格生成技术。不同的问题采用不同数值解法时，所需要的网格形式是有一定区别的，但生成网格的方法基本是一致的。目前，网格分结构网格和非结构网格两大类。简单地讲，结构网格在空间上比较规范，如对一个四边形区域，网格往往是成行成列分布的，行线和列线比较明显。而对非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线。对于二维问题，常用的网格单元有三角形和四边形等形式：对于三维问题，常用的网格单元有四面体、六面体、三棱体等形式。在整个计算域上，网格通过节点联系在一起。目前各种CFD软件都配有专用的网格生成工具，如FLUENT使用GAMBIT作为前处理软件。多数CFD软件可接收采用其他CAD或 CFD/FEM软件产生的网格模型。如FLUENT可以接收ANSYS所生成的网格。（4）建立离散方程对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解（或称精确解或解析解）的。但由于所处理的问题自身的复杂性，一般很难获得方程的真解。因此，就需要通过数值方法把计算域内有限数量位置（网格节点或网格中心点）上的因变量值当做基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程组，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其他位置则根据节点位置上的值来确定。由于所引入的应变量在节点之间的分布假设及推导离散化方程的方法不同，就形成了有限差分法、有限元法、有限元体积法等不同类型的离散化方法。（5）离散初始条件和边界条件前面所给定的初始条件和边界条件是连续性的，如在静止壁面上速度为0，现在需要针对所生成的网格，将连续型的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值，如静止壁面上共有90节点，则这些节点上的速度值应均设为0.这样，在各节点处所建立的离散的控制方程，才能对方程组进行求解。在商用 CFD软件中，往往在前处理阶段完成了网格划分后，直接在边界上指定初始条件和边界条件，然后由前处理软件自动将这些初始条件和边界条件按离散的方式分配到相应的节点上去。（6）给定求解控制参数在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施加离散化的初始条件和边界条件后，还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数等。此外，还要给定迭代计算的控制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率等。在 CFD的理论中，这些参数并不值得去探讨和研究，但在实际计算时，它们对计算的精度和效率有着重要的影响。（7）求解离散方程在进行了上述设置后，生成了具有定解条件的代数方程组。对于这些方程组，数学上已有相应的解法，如线性方程组可采用Gauss-Seidel迭代法求解，而对非线性方程组，可采用Newton-Raphson方法。在商用CFD软件中，往往提供多种不同的解法，以适应不同类型的问题。（8）判断解的收敛性对于稳态问题的解，或是瞬态问题在某个特定时间步上的解，往往要通过多次迭代才能得到。有时，因网格形式或网格大小、对流项的离散插值格式等原因，可能导致解的发散。对于瞬态问题，若采用显式格式进行时间域上的积分，当时间步长过大时，也可能造成解的震荡或发散。因此，在迭代过程中，要对解的收敛性随时进行监视，并在系统达到指定精度后，结束迭代过程。（9）显示和输出计算结果通过上述求解过程得出了各计算节点上的解后，需要通过适当的手段将整个计算域上的结果表示出来。这时，可以采用线值图、矢量图、等值线图、流线图、云图等方法对计算结果进行表示。所谓线值图，是指在二维或三维空间上，将横坐标取为空间长度或时间历程，将纵坐标取为某一物理量，然后用光滑曲线或曲面在坐标系内绘制出某一物理量沿空间或时间的变化情况。矢量图是直接给出二维或三维空间里矢量(如速度)的方向及大小，一般用不同颜色和长度的箭头表示速度矢量。矢量图可以比较容易地让用户发现其中存在的漩涡区。等值线图是用不同颜色的线条表示等物理量 (如温度)的一条线。流线图是用不同颜色线条表示质点运动轨迹。云图是使用渲染的方式，将流场某个截面上的物理量 (如压力或温度)用连续变化的颜色块表示其分布。第二章 FLOW-3D软件简介2.1 FLOW-3D软件简介计算流体力学大师 Dr. C. W. Hirt于1980在美国新墨西哥州阿墨斯创办体科学公司，着手开发一套CFD软件。在1985，FLOW-3D商业版终于正式发表。CFD的软件很多，但是由于 FLOW-3D特有的True VOF计算技术，能够提供极为真实且详尽的自由液面流场信息，其精确而稳定的特性，在 20多年来受到许多重要研究单位与国际大厂的肯定。对于水利工程而言，FLOW-3D是一个非常强悍的工具。从大型的水坝设计，到城市的污水处理厂，FLOW-3D都可以广泛的应用于各种水文及流场计算。精确的三维流动计算功能让我们能够得到更完整的流场信息，对于设计人员而言可以得到更有价值而且更准确的判断，进而节省大量的时间与金钱。其本身完整的理论基础与数值结构，能满足不同领域的需求。因此FLOW-3D应用相当的广泛，包括航天工业、铸造、涂布、喷墨、船舶、水利与环境工程、微机电工程。42.1.1 FLOW-3D软件的特点采用三维计算流体动力学商业软件Flow-3D进行泥沙数值模拟，其最主要的特点是FAVOR(FractionalAreaVolume Obstacle Representation)技术和流体体积(Volume Of Fluid)法。FAVOR技术又称为自由网格法(网格和几何体相互独立)，是将几何图形插入网格中，根据计算范围，定义障碍物的几何形状，同时在计算过程中，障碍物的几何形状根据计算结果自动进行调整。因此，Flow-3D可以利用简单的矩形网格来表示任意复杂的几何形状。这种方法将矩形网格的优点和扭曲的、适体的网格的灵活性结合在一起，并建立在结构化网格系统之上，这种方法比可变形网格(Deformation Mesh)的方法还要简单，避开了冗长的整理网格与几何形状的工作，使结构体保有简单规则的网格，即使模型非常复杂，也能够精确的描述外型。因此这种网格剖分法要比传统的有限差分的结果好。流体体积法(VOF)是目前被广为采用的表面流体计算法，主要由三部分组成：一是定位表面；二是跟踪自由表面运动到计算网格时的流体表面；三是应用表面的边界条件。对于单一流体，F描述着网格被流体占有的区域，表示为 F=1。而无流体占有的空网格则定义为 F=0。如图 2-1所示：图2-1 流体自由液面的表示除了以上两点重要特色之外，还有以下几点特色：（1）坐标系统：在 FLOW-3D里，坐标系统可以区分为卡式坐标(Cartesian Coordinates)(x，y，z)与圆柱坐标(Cylindrical Coordinates) (r，z)。对于圆柱坐标来说，X方向代表着圆柱半径 r，代表圆心的角度，Z方向代表着圆柱高 z(如表2-1)。表2-1 不同坐标系统的网格切割坐标示意卡式坐标 (x，y，z) 圆柱坐标(r ,z)（2）采用 FAVOR改良型有限差分模型，针对复杂的几何外形以结构性网格表现，整个计算过程简单、稳定、准确。（3）模型建立简单：由 FLOW-3D内建的基本功能建立简单的实体模型，或者是直接读取 CAD或者Rhino软件产生的复杂几何模型，于软件内可自由缩放、移动、旋转。而模型的材质属性，可以套用 FLOW-3D的材质属性数据，或者使用者自行建立材料库。（4）边界条件设定灵活，可依使用者需要设定网格各面的条件。（5）提供五种紊流模型，仿真紊流状态下的充填过程，包括压力、温度、速度等动态分布。（6）可以针对混合气体的流体，进行流动模拟，在水文模疑上，可更加符合真实情况的要求。（7）全新的微粒设定条件，可用于模拟流体中真实微粒流动的情况。因此在水利上的应用，可以进行砂石沉积状况的模拟，甚至是拦砂坝的土石崩落情况。（8）多种模拟结果，形象、直观的 FLOW-VU三维显示，方便的动画制作。（9）多重区块结构性网格的技术：可使用不同大小的网格区块去做连结(Linking)或植入(Nesting)，在同一区域产生不同分辨率的网格，来精确描述复杂的几何结构，减少网格数目与计算时间。相较于传统网格的建立，除了网格数的减少，对于模拟物件的描述，也更加精准与完美。2.1.2 FLOW-3D软件的核心技术(1)以结构性网格表现几何外观有限插分法(Finite Difference Method)，是一种利用固定方形格点控制元素的方法进计算的方式。但是由于其网格属方形，所以对于较复杂外型的物件，往往无法确地描述出其边界位置。 FLOW-3D研发出一套称为自由网格法的网格定义方式，运用控制体积(Control Volume)的观，使网格与物体几何形状互相独。尽管模型非常复杂，依然能确地表现出其经过网格计算后的外观。 (2)多区块结构性网格以往单一结构性网格区块，会造成网格费，且增加运算时间，如表 2-2(a)所示。而多区块结构性网格的出现，可照模型的几何结构边界设定多个网格相接，以达到节网格的数量。而多区块网格又分两类，即连结型(Linked blocks)与局部加密型(Nested blocks)，如表 2-2(b)、表 2-2(c)所示。此功能的出现，但因减少大网格而节计算时间，对于较复杂模型的网格建则方许多。表2-2 各类网格划分比较(a)单一结构性网格区块 (b)连结式多区块网格 (c)局部加密多区块网格(3)追踪自由液面的技术FLOW-3D的最大一项特色，就是体积分率法(Fractional Volume of Fluid Method，VOF)。VOF是由Flow Science创始人Dr.C.W.Hirt所发表，主要用计算流体自由液面复杂的流动方式。此项技术也成为往后 CFD软件在自由液面运动计算的先驱。52.1.3 FLOW-3D的相关应用软件FLOW-3D的计算过程大致包括三个部分：前处理，包括几何模型的选取和网格划分，FLOW-3D本身的几何建模功能比较简单，但是它可以识别其他大型几何建模软件导出的STL文件；求解器，包括确定计算流体力学方法的控制方程，选择离散方法进行离散，选用数值计算方法，输人相关参数；后处理，包括速度场、压力场、温度场及其它参数的计算机可视化及动画处理等，很多三维可视化软件也能识别 FLOW-3D的结果文件。所以，可以用其他软件来代替其本身的模块进行前期建模和三维可视化分析。其所运用到的软件如下：（1）前处理软件（Rhino）Rhino是由美国 Robert McNeel公司于1998年推出的一款基于非均匀样条曲线为主三维建模软件。其开发人员基本上是原Alias（开发MAYA的A/W公司）的核心代码编制成员。当今，由于三维图形软件的异常丰富，想要在激烈的竞争中取得一席之地，必定要在某一方面有特殊的价值。因此 Rhino就在建模方面向三维软件的巨头们(Maya、SoftImage XSI、Houdini、3DSMAX、LightWave等)发出了强有力的挑战。自从 Rhino推出以来，无数的3D专业制作人员及爱好者都被其强大的建模功能深深迷住并折服。首先，它是一个“平民化”的高端软件：不像 Maya, SoftImag XSI等“贵族”软件，必须在 Windows NT或Windows 2000，Windows XP，甚至 SGI图形工作站的Irix上运行，并且还要搭配价格昂贵的高档显卡；而Rhino所需配置只要是Windows95，一块 ISA显卡，甚至一台老掉牙的 486主机即可运行起来。其次，它不象其它三维软件那样有着庞大的身躯，动辄几百兆；而 Rhino全部安装完毕才区区只需20几兆。因此，着实的诠释了“麻雀虽小，五脏俱全”这一精神.并且由于引入了Flamingo及BMRT等渲染器,其图像的真实品质已非常接近高端的渲染器。再次，Rhino不但用于CAD、CAM等工业设计，更可为各种卡通设计，场景制作及广告片头打造出优良的模型。并以其人性化的操作流程让设计人员爱不释手，而最终为学习 Solid Thinking及Alias打下一个良好的基础。总之，Rhino3D NURBS犀牛软件是三维建模者乐于掌握的、具有特殊实用价值的三维建模软件。（2）后处理软件(Tecplot)Teoplot集 XY图、二维/三维曲面以及空间立体的数据图形显示功能于一身，具有多种绘图方式:等值线/面、网格、向量、流线、轨迹、投影和散布符等。可以支持 64个窗口同时处理 12组不同的数据，每组数据又可根据其形状或参数分为2000多个子区。各窗口可以处理不同的几组数据或子区，选择不同的绘图组合方式;优化动态内存管理使得每组数据可由无数个数据点组成，而每点又可以设置2000多个参数，一般的图形只需几秒钟即可快速绘出；用户可自定义外部函数来修改或产生新数据，对数据进行镜面映射、旋转变换、局部提取和缩放等操作。还提供微分算子用于计算微分、导数和梯度。Tecplot对硬件环境要求不高：硬件环境适合于奔4以上微机以及DEC、SUN、VAX等工作站;需要 500M以上硬盘、256M内存和各种EGA、GA/SVGA显示器:软件环境支持DOS、WINDOW、UNIX、UL-TRIX等操作系统;图形输出可通过HP-GL/2打印机实现单色或彩色输出，支持幻灯片制作和笔式绘图输出图形，还可产生文字排版、印刷系统能接受的后备处理文件。Tecplot对各种场(流场、电磁场、浓度场等)的图形显示及分析具有如下优越性：(1)等值图：场中的物理量(如压力、密度、应力、速度、梯度等)可用不同的颜色、标号来配合等值线/面显示。矢量除用传统的箭头方法表示外，也可绘制流线、流带和流管；(2)缩放：对图形中感兴趣的细节进行局部放大、分析；(3)视点：将图形做空间任意旋转，方便地观察到场中的各个区域；(4)剖切：可按任意角度做切面/线，将复杂的三维问题简化为二维或一维问题；(5)提取：三维立体中的等值面/线、流线、切面/线或区域的外边界等，都可截取出来，做为新的区域进行研究；(6)挖除：交互地设置了区的开/关或将局部区域的内部/外部切除，方便地显示出物体内部的结构及数据分布；(7)迭加：画面透明度可控制，方便多幅图形的迭加和对比分析；(8)投影：具有消隐和多种光源投影功能，获得最逼真的立体效果；(9)动画：具有动画制作、存储和放映功能。例如不同时刻的流场情况连续地显示，清晰地反应出整体流场的结构和非定常特性；(10)界面：下拉式菜单，简明的实时提示帮助，可以使用键鼠、鼠标和热键驱动。Tecplot提供两种数据类型：Finite elementdata(有限单元型)和ordered data(有序型)。Tecplot的ordered data格式数据有两种排列方式：point和bloek。应用专业数据后处理软件可以让工程师及其他科研工作人员省去很多没必要的重复劳动，数据处理效果却能达到专业程序员处理数据的能力，这样也给工程师及科研工作者更多的时间与精力集中于对问题的现象及本质的分析解释上，非常值得推广。第三章 FLOW-3D软件模拟功能初探3.1 FLOW-3D模拟流程分析FLOW-3D本身的几何建模功能比较简单，但是它可以识别其他大型几何建模软件导出的STL文件；用数值计算方法，输人相关参数，以流体动力学为基础，充分利用以往研究成果、积累的研究经验，运FLOW-3D软件进行数值模拟，并根据数值模拟的结果进行分析与比较。FLOW-3D模拟的方法，依据流程(如图 3-1所示)去设定模拟所需参数，以进行模拟，于以下详细说明。 图3-1 利用犀牛软件建立模型 导入Flow-3D软件，并进行网格划分物理条件设定边界条件设定初始条件设定不合适 检查网格及各条件设定是否合适？ 合适 调整设定 模拟运行成果分析3.2 FLOW-3D算例简介实际工程中的闸门型式主要有平板闸门（Plate gate)和弧形闸门（Radial gate）两种，闸底坎一般为平顶型（包括无坎平底型）或曲线型。采用不同的闸门型式，不同的底坎型式，闸孔出流水流的垂向收缩程度及泄流能力也会不同。本算例侧重对平顶型底坎的闸孔出流进行模拟。如图3-2所示，为平顶型（无坎平底型）坎上的平板闸门控制的闸孔出流。当上游恒定水头为H，闸门开度为e，下游水深ht不变时，闸前水流在水头H的作用下经闸孔流出，受阻力影响，其后水深又沿程增大，受惯性作用，出闸水流继续收缩，在闸孔下游（0.5-1.0）e距离处，形成水深为hc的最小的收缩断面（图中的c-c断面），收缩断面水深为hc，可由公式hc=2e计算hc的值。式中：2为闸孔出流的垂向收缩系数，其值小于1，大小取决于闸低坎型式、闸门底缘的型式及相对开度e/H的大小。63.3 FLOW-3D算例目的本算例应用FLOW-3D软件，对不同工况的平顶型底坎的闸孔出流的模拟，重点介绍了FLOW-3D进行模拟计算的具体操作步骤，并对所得的模拟结果进行了相应的成果分析和理论分析，验证公式hc=2e的正确性，体现了FLOW-3D软件的解决实际工程问题的能力，同时也为以后解决相关问题提供了一条新的思路。3.4 FLOW-3D算例模拟过程3.4.1 模型简化 图3-3平顶型底坎的闸孔出流模型 上游恒定水头H=10m，闸门开度e=2m，下游水深ht=1.5m。 3.4.1 FLOW-3D工作窗介绍 首先，在FLOW-3D的工作窗中建立一个新的窗口，作为接下来模拟的工作窗口。左键单击File菜单,选择New workspace,命名为zhakong2mi,点击OK确定后再右键选择Add New Simulation，命名为zhakong2mi,此时菜单栏中的Model Setup 及Simulation 才变为可用，能够进行接下来的模拟，如图3-6所示：图3-4在FLOW-3D中建立模拟窗口通过 FLOW-3D面板可以看到建模主界面由工具栏、菜单栏、信息区、显示区组成。下面介绍菜单栏（当出现“” 是说明该菜单被选中），见图3-5及表3-1.子菜单将在下部分详细介绍（当出现“” 是说明该子菜单被选中）。图3-5FLOW-3D工作界面表3-1 各选项的功能介绍菜单名称 功能说明模型导航，可以新建、添加、删除工作区或模型，显示工作区或模型的存储位置信息及模型运行情况。用以建立模型，包括模型概况、物理条件选择、流体选择、网格设置、边界条件设置、初始条件设置、输出项选择和数值控制等.模拟过程显示，该菜单显示出模拟过程中时间步长、迭代次数、流体体积等参数的变化过程，进行相关参数的修改，显示警告与错误。结果分析菜单，选择结果分析的内容，包括流速、体积、压强、泥沙等结果参数的一维、二维、三维显示。显示模拟结果，对选择的结果进行显示，可调至任一时刻，并可缩放图形显示局部信息。 3.4.2 FLOW-3D模拟过程 （1）导入模型，并进行网格划分，创建求解区域将建立好的实用堰三维实体模型保存成STL文件格式，并导入FLOW-3D软件当中，依据图3-1的模拟流程进行模拟计算。导入方式如图3-6所示：图3-6将模型导入FLOW-3D中模型导入FLOW-3D中后，依据模型原始尺寸，在Modle Setup菜单中的子菜单Meshing Geometry中设置网格, 如图3-7所示: 图3-7 网格参数设定设定后的模型及网格如图3-8所示： 图3-8网格设定情况（2）模型整体模拟概况设定主要设定模拟中所使用的单位及模拟结束的条件，在 FLOW-3D中，模型数值计算正常结束的条件有两种，即：Finsh Time(计算进行一定的时间停止)及Fill fraction（液体填充一定的体积百分比停止）。本算例中消能工上游进流，下游出流，属于连续流动，其水体体积百分比变化不大。经过预模拟得出的结果，在数值模拟进行20秒时水流形成稳定流动，故算例中选择结束时间为20秒。模型计算时采用的单位要采用与流体选择中相一致的单位，本算例中采用国际单位制，选择“SI”。具体操作见图3-9： 图3-9 模拟计算的整体设置情况 （3）激活需要的物理模型本算例中仅需设置重力模型、流体模型即可，重力应该沿着 Z轴向下，单位为“SI”国际单位制，其值为-9.8Kg/s2。选择Newtonian viscosity:牛顿流体及Turbuent:紊流条件。图3-10 模拟计算的物理条件设定（4）输入流体特性打开菜单后找到相应的流体，本算例为20摄氏度的水，同时应注意选择流体的单位，本算例中为“SI”（米、千克、秒）单位。图3-11模拟计算的流体条件设定（5）指定合适的边界条件FLOW-3D中边界条件共有十种，在进行模拟时，我们通常使用常用的边界条件列举如表3-2：表3-2 常用边界条件列举边界条件含义对称边界条件，表示该边界内外的各种流体流态均对称定压力边界，表示该边界存在给定的压力是流体流动，它包括两种情况，一种为Pressure(直接给定压力值)，一般用于管道流动；另一种为Stagnation Pressure（按水压力分布），设置水深以后即可模拟某水深情况下的静水压力，一般用于存在自由表面的流体流动问题波浪边界，通过该边界条件，可以设定波浪条件自由出流边界，表示该边界流体可以自由流出不透水边界条件，表示该边界像墙体一样，且边界对流体产生摩擦力定流速边界，表示该边界上流体以给定的流速通过，它包括“U”、“V”、“W”三个速度，表示 X、Y、Z三个方向的分速度 在本算例中，采用的边界条件设定见图3-12： 图3-12 边界条件设定 本算例中，出口端“Xmin”边界设置为10m水头的静水压力的定压力，