FLUENT案例精讲：明渠流动中防波堤的受力奥秘

1 前言
     

明渠流动是自然界中最为广泛的流动现象之一，比如河流、排水沟、海岸波浪等。历史上的重要事故比如印度洋海啸、日本福岛海啸等都属于明渠流动的范畴。CFD方法对于类似的溃坝、波浪冲击等都很强的适用性。像FLOW-3D算是比较热门的了，当然FLUENT的VOF多相流模型也足以胜任这类仿真工作。今天，我们也做一个简单的造波案例。当然，笔者不是水利工程专业人员，认知深度肯定不够，算是班门弄斧罢。

2 建模与网格
     

建立如下10m×2m的二维平面计算域，其中在距离入口4m处有一个高0.2m的障碍物模拟防波堤。初始水位为0.1m，且处于静止状态。在某一时刻从入口处产生一个波长2m，高度0.4m的波浪，计算障碍物所受的瞬态力。

3 求解设置

• 开启重力项，这是最基本的设置。

• 开启VOF模型，并启动明渠选项，设置主相为空气，次相为水。

• 设置入口为速度边界，速度为0，并设置明渠边界。

• 设置出口边界为压力出口，并进行明渠边界设置。

• 将顶部设置为对称边界。

• 将河床设置为光滑壁面边界。

• 将障碍物设置为光滑壁面边界。

• 设置一个监视器，监测障碍物在x方向即受冲击方向的受力情况。由于我们建立的障碍物是处在计算域内的，因此自动生成一对面，注意要把影子面也选上。

• 设置一个动画，记录波浪的运动过程。

• 初始化，并patch静止水位。

4 计算结果
     

障碍物所受的力随时间变化过程如下，可以看出整体呈现一定的周期性，首个波浪到达之前障碍物几乎不受力，因为两侧的水位基本静止。在冲击的瞬间受力最大，因为这个时刻左右所受的力相差最大，障碍物所受的合力就是两侧的水冲击力之差。

最后我们看一下波浪的运动过程。

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