【Fluent案例】09：造波

本案例演示利用Fluent中的Open Channel wave进行波浪模拟。

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创建几何

本案例几何在ANSYS DM中创建。

1.1 启动DM

• 启动Workbench

• 从Toolbox中拖拽Fluid Flow(Fluent)至工程窗口中

• 右键点击A2单元格，选择菜单项New DesignModeler Geometry…进入DM模块

1.2 绘制草图

• 在DM中选择模型树节点XYPlane，点击工具栏按钮Look At Face/Plane/Sketch 

  

• 切换至Sketching模式，绘制Rectangle

• 利用Dimensions设定矩形尺寸为长30 m，宽 10 m

1.3 拉伸草图

• 点击工具栏按钮Extrude

• 在属性窗口中设置Geometry为前面创建的草图Sketch1

• 设置Extent Type为Fixed，并设置Depth为15 m

• 点击工具栏按钮Generate生成几何

几何创建完毕后，关闭DM返回Workbench界面。

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划分网格

2.1 设置网格参数

• 在Workbench工程窗口中，双击A2单元格进入Mesh模块

• 点击模型树节点Mesh

• 属性窗口中设置Sizing节点下Relevance Center为Fine

• 设置Max Face Size为300 mm

• 其他参数保持默认设置

• 右键点击模型树节点Mesh，选择菜单项Generate Mesh

生成网格数量16.5W。

2.2 边界命名

• 选择xmin面，创建命名为inlet

• 选择xmax面，命名为outlet

• 选择zmax面，命名为top

• 关闭Mesh，返回Workbench

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Fluent设置

3.1 启动Fluent

• 右键点击A3单元格，选择弹出菜单Update更新网格

• 双击A3单元格进入Fluent

3.2 General设置

• 双击模型树节点General

• 设置Time为Transient

• 激活选项Gravity，设置重力加速度为Z方向 -9.81 m/s2

3.3 Models

设置湍流模型与多相流模型。

• 右键点击模型树节点Models > Viscous，选择弹出菜单Model > SST k-omega

• 右键点击模型树节点Multiphase，选择弹出菜单Volume of Fluid

• 双击节点Models > Multiphase，弹出vof多相流设置面板

• 激活选项Open Channel Flow及Open Channel Wave BC

• 激活选项Interfacial Anti-Diffusion

• 激活选项Implicit Body Force

• 点击OK按钮关闭对话框

3.3 Materials

添加材料液态水。

• 右键点击模型树节点Materials > Fluid，选择菜单项New…，弹出材料定义对话框

• 从Fluent Database…中添加材料water-liquid，设置Density为compressible-liquid

• 点击Copy添加材料

3.4 设置相

设置主相为air，第二相为water。

• 鼠标右键点击模型树节点Models > Multiphase > Phase > phase-1-Primary Phase，弹出设置对话框

• 对话框中设置Phase Material为air，修改Name为air

• 相同方法设置phase-2材料为water-liquid，修改名称为water

3.5 边界条件设置

1、top边界

设置top边界为pressure outlet边界。

• 鼠标右键点击模型树节点Boundary Conditions > top，选择菜单Type → pressure-outlet，弹出边界设置对话框，采用默认设置即可。

2、outlet边界

确认outlet边界类型为pressure outlet。

• 鼠标双击模型树节点Boundary > outlet，弹出边界设置对话框

• 切换至Multiphase标签页

• 激活选项Open Channel，设置Free Surface Level为11 m

• 其他参数保持默认设置

3、inlet边界

• 鼠标右键点击模型树节点Boundary Conditions > inlet，选择弹出菜单Edit…

• 在弹出的对话框中，激活选项Open Channel Wave BC

• 切换至标签页Multiphase，设置Wave BC Options为Short Gravity Waves

• 设置Free Surface Level为11 m

• 设置Wave Theory为Third Order Stokes

• 设置Wave Height为2 m

• 设置Wave Length为21 m

• 点击OK按钮关闭对话框

3.6 Cell Zone Conditions

• 右键点击模型树节点Cell Zone Conditions > fluid，选择弹出菜单Edit…

• 在弹出的对话框中进入Multiphase标签页

• 激活选项Numerical Beach

• 设置选项Compute From Inlet Boundary为inlet，软件自动计算相关参数

• 点击按钮OK关闭对话框

3.7 Operating Conditons

• 双击模型树节点Cell Zone Conditions，点击右侧面板中Operating Conditons…按钮

• 在弹出的对话框中激活选项Specified Operating Density

• 设置Reference Pressure Location，设置为Z方向14 m

3.8 设置自动保存

• 双击模型树节点Calculation Activities

• 选择右侧面板中Automatic Export下方的Create按钮，选择选项Solution Data Export…

• 在弹出的对话框中选择File Type为CFD-Post Compatible

• 在Quantities列表选择所有的Quantities列表项

• 设置Frequency为4

• 点击OK按钮关闭对话框

3.9 初始化

• 双击模型树节点Solution >Initialization

• 右侧面板中选择Hybrid Initialization

• 设置Compute from为inlet

• 点击按钮Initialize进行初始化

3.10 Run Calculation

• 鼠标双击模型树节点Run Calculation

• 右侧面板中设置Time Step Size为0.01 s

• 设置Number of Time Step为4000

• 设置Max Iterations/Time Step为70

• 点击按钮Calculate进行计算

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计算后处理

关闭Fluent，返回至Workbench界面。双击A6单元格进入CFD-Post

4.1 查看体积分数

• 选择菜单Insert → Location → Plane创建平面，采用默认名称

• Geometry标签页中，选择Method为ZX Plane，设置Y值为5 m

• 切换至Color标签页，设置Mode为variable

• 选择variable为water.Volume Fraction

• 选择Range为Local

• 点击Apply按钮显示当前时刻水相体积分数云图分布

• 选择菜单Tools → Timestep Selector，弹出时间选择对话框

• 在时间选择对话框中选择所需要查看的时间点，点击Apply按钮即可切换时间

如图所示，选择36.13s时刻的体积分数云图，如下图所示。

4.2 制作动画

• 选择菜单Tools → Animation，弹出动画制作对话框

• 选择Timestep Animation

• 激活选项Specify Range for Animation

• 激活选项Save Movie，设置Format为MPEG4

• 点击播放按钮即可进行动画制作

制作完成后的动画如下图所示。

由于文件保存是每4步保存一次，因此看着不太流畅。而且网格也过于粗糙。

本案例所有过程都描述完了，因此不用共享案例文件。

吐槽：下周就要正式上班了，宣告暑期结束。后面的更新可能会比较慢，这学期比较忙，一周能更新两篇就算不错了。发现一个问题，更新案例看的人不多，反而那些没营养的鸡汤文看的人还比较多~