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1、第35卷第15期山西建筑Vol.35No.15·362·2009年5月SHANXIARCHITECTUREMay.2009文章编号:100926825(2009)1520362202基于Fluent的冰塞融化模拟王军石磊摘要:针对冰塞的消融问题研究相对较少的现状,基于Fluent软件利用热力学及河冰水力学原理对冰塞的融化进行了初步模拟和探究,在已知河段的天气、水文等情况下对河面冰塞消融进行了模拟分析,从而有效模拟冰塞融化的状态。关键词:冰塞融化,Fluent,凝固和融化模型,模拟中图分类号:TV311文献标识码:A0引言潜热内容可以查阅相关材
2、料的潜热性能表,ýH=βL,潜热的值在0(对固体)～L(对液体)之间变化。天然河流尤其北方河流河面常于冬季形成大面积冰凌,会阻在关于组分分离的多组分的凝固实例中;例如,在组分传输塞航运、损坏河床,还可能壅堵河道引发冰凌洪水,造成重大的灾的凝固或融化过程中,固相限和液相限被用来代替组分按下式计害和损失,因此需要对河冰的形成及消融进行研究。近年来河冰算:水力学的研究发展迅猛,随着计算机的发展和对冰情物理现象认识的加深,人们对河冰水力学数学模型不断地进行完善,相继提Tsolidus=Tmelt+∑KimiYi(2)solutes出了不少河冰模型,L
3、al和Shen在前人研究成果的基础上引入了Tliquidus=Tmelt+∑miYi(3)流水分层输移的概念,并研制了包括许多河冰过程的综合河冰模solutes其中,Ki为溶质i的分离系数,是固体与液体界面的浓度比型RICE;王军等基于人工神经网络预测弯道断冰塞壅水及水内率;Yi为溶质i的质量分数;mi为液相限表面考虑Yi之后的梯冰塞厚度分布模拟,该文基于Fluent对冰塞融化进行了模拟。度。它被假设为混合物的最后一种组分材料是溶剂并且其他的1计算模型组分是溶质。冰塞融化的过程是一个热量传递的过程,通过导热、对流传对于凝固/融化的问题,能量方
4、程可以写作:热、辐射传热进行热量传递。具体涉及到水温、水流流速、大气温9(ρH)+ý(ρˆvH)=ý(kýT)+S(4)度、风速、水深等因素。本文建立了长10m厚0.5m的冰块模9t型,利用Fluent中的凝固/融化模型,在改变水温、水流流速、大气其中,H为焓;ρ为密度;ˆv为流体速度;S为源项。温度、风速的情况下,对冰块的融化状态进行模拟。求解温度过程的本质是在反复求解能量方程式(4)和流体组边界一、二是上下游恒温端,边界三为冰块与大气交界面,边界分方程式(1)。直接用公式(1)更新流体阻力通常导致能量方程四为冰块与河水交界面。网格使用Fl
5、uent前处理器Gambit划分。非常不好的收敛性。在Fluent中通常用voller和swaminathan来更新流体阻力。2凝固/融化模型的理论及计算参数2.2计算参数的选定2.1凝固/融化模型的理论1)冰盖—大气热交换S1,包括对流传热及大气辐射。冰盖Fluent可以求解关于凝固和(或)融化发生在一定温度或超与大气的对流传热主要决定于水体和空气两者之间的温差及对过一定温度范围流体流动的问题。Enthalpy2porosity技术被应用流传热系数,本文应用外掠等温平板的边界层流动及比拟理论计于Fluent中的凝固和融化处理过程中。在这项技
6、术中,深化界面算冰面与大气的平均表面对流传热系数。当平板长度l大于临没有被很明显的跟踪。取而代之,大量的液体分数(液体分数显界长度xc时,整个平板的平均表面传热系数hm按下式计算:示那些流体组成的单元体积)被联合到每个单元在整个区域内。1/2x4/5lλ0.332u∞cdx+0.0296u∞dx1/3这些液体所占份额在热平衡的基础上通过反复计算被估计。hm=lv∫0x1/2v∫xx1/5Pr。c糊状的地方是流体分数在0～1之间的区域。这些糊状的地其中,λ为空气的导热系数;l为平板长度;Pr为普朗特数。方在模拟过程中为一个单元时,多孔性变为0,
7、因此速度也降为0。积分后可得:材料的焓能由h和潜热ýH来计算:λ1/24/54/5)Pr1/3H=h+ýH。hm=l0.664Rec+0.037(Re-Rec。T5其中,Rec为临界雷诺数,取Rec=5×10。其中,h=href+∫cpdT,href为参考焓,Tref为参考温度,cpTref大气辐射的发射率ε=0.96。为定压比热。2)冰盖—水热交换S2,包括对流传热及水体辐射。热交换流体分数β,被定义为:系数hfi按下式计算:β=0ifTTliquidus。V0.8hfi=16.220.2。T-Tsolid
8、ushwβ=ifTsolidus
