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1、基于Fluent的污染物扩散数值模拟,目录,1、数值模拟软件在地下水污染中的应用2、CFD/Fluent软件简介3、模型的建立及网格划分4、Fluent模拟参数设置5、Fluent模拟结果后处理,随着计算机技术的发展及其广泛应用，地下水数值模拟技术也得到了长足的发展，国内外已经建立了多种地下水数值模拟模型和管理模型，例如Modflow、MT3D、Visual Modflow、Visual Groundwater、FEFLOW、PHREEQC等。,软件应用,软件简介,CFD 分析一般应用在以下阶段:概念设计产品的详细设计发现问题改进设计CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。CFD商业软
2、件Fluent，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动，包含了广泛的物理模型，能模拟工业中的流动、传热和反应。,软件简介,CFD软件的工业应用涵盖了从飞机机翼的空气外流到锅炉的燃烧，从塔内气泡流到钻井平台，从血液流动到半导体制造，以及从洁净室设计到污水处理厂。,软件简介,一些特殊的模型如内燃机燃烧、气动噪声、旋转机械和多相流系统也进一步扩大了软件的应用范围。,软件简介,CFD是计算流体动力学（Computational fluid dynamics）的缩写，是预测流体流动、传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过数值方法求解以下的控制方程组质
3、量守恒方程动量守恒方程能量守恒方程组分守恒方程体积力等等,方程介绍,在模拟污染物扩散时通常需用到物质输送模型，当涉及反应时还需用到有限速率化学反应模型。物质输送和有限速率化学反应：FLUENT可以通过求解描述每种组成物质的对流、扩散和反应源的守恒方程来模拟混合和输运，可以模拟多种同时发生的化学反应，反应可以是发生在大量相（容积反应）中，和/或是壁面、微粒的表面。包括反应或不包括反应的物质输运模拟能力，以及当使用这一模型时的输入。,方程介绍,在FLUENT中根据以下三种模型中的一个计算：层流有限速率模型：忽略湍流脉动的影响，反应速率根据Arrhenius公式确定。涡耗散模型：认为反应速率由湍流控
4、制，因此避开了代价高昂的Arrhenius化学动力学计算。涡耗散概念（EDC）模型：细致的Arrhenius化学动力学在湍流火焰中合并。注意详尽的化学动力学计算代价高昂。,案例,基于Fluent的污染物扩散模拟在科研及实际中有较多的应用：如基于Fluent的地下水三维模拟计算（吉林大学）尾矿库重金属的污染机理及其数值模拟研究（中南大学）以上两个研究课题都涉及到了有限速率化学反应,案例1,模拟过程包括：利用Gambit软件建立地下水的三维模型，导入Fluent中设置材料性质、边界条件和求解参数，完成该模型的模拟，绘制不同截面的AsO43-、HAsO42-和H2AsO4-浓度等值线。模拟过程中涉及
5、到的主要化学反应为:Na3AsO4+H2ONa2HAsO4+NaOHNa2HAsO4+H2ONa2H2AsO4+NaOH,案例1,利用Gambit软件，建立地下水的三维模型。几何模型的尺寸为500m30m4m（长宽高）。由于内部结构简单，选择结构化网格方法，选用六面体网格，网格大小为1m。网格划分如图所示。定义边界条件：一个速度入口，一个自由出口，四周默认为固壁。对四周边界处理采用刚盖假定。,案例1,案例1,案例1,要确定一个有唯一解的物理问题，必须指定边界上的流场变量指定进入流体域的质量流量、动量、能量等定义边界条件包括:确定边界位置提供边界上的信息边界条件类型和所采用的物理模型决定了边界上
6、需要的数据你需要注意边界上的流体变量应该是已知的或可以合理预估的不好的边界条件对计算结果影响很大,案例1,定义边界条件：入口为速度入口，出口为自由流出口，四周默认为固壁。对四周边界处理采用刚盖假定。,案例1,二维单精度,三维单精度,三维双精度,运行Fluent出现选择Fluentversion选择界面,案例1,读入网格文件：FileReadCase,案例1,指定计算区域的实际尺寸:GridScale,案例1,选择模型:DefineModels,案例1,求解器的设定：本算例采用压力基，隐式算法。算例设置为稳态，其余参数都保持默认值。,定义求解器：DefineModelsSolver,案例1,勾选
7、能量方程：DefineModelsEnergy,案例1,选择湍流方程：DefineModelsViscous,本模拟中选择标准湍流模型k-epsilon,案例1,选择Species Transport，且选择Reactions下拉列表中的Volumetric项。单击mixture Material下拉列表中所需的项，并点击View查看所选择的物质。,选择物质输送模型：DefineModelsSpeciesTransport&Reaction,案例1,定义材料：DefineMaterials,案例1,案例1,定义反应方程：,在Materials栏下拉列表中单击Reaction选项的Edition
8、,根据实际反应填写各反应参数。,案例1,操作条件：DefineOperating Conditions,勾选Gravity项，在Y方向填入重力加速度-9.8。,案例1,边界条件设置：DefineBoundary Condition,案例1,求解器控制：SolveControlsSolution,案例1,速度入口边界需要输入下列信息：速度大小与方向、温度、湍流参数、化学组分质量百分数。,案例1,监视器设置：SolveMonitors,勾选Options下拉列表中的Plot项，其余设置保持默认。,案例1,初始化设置：SolveInitializeInitialize,在Compute From下拉
9、列表中选择速度入口，单击Init进行初始化。,案例1,求解：SolveIterate,案例1,残差图：,案例1,云图显示：DisplayContours,勾选Options下拉列表中Filled选项。在Contours of下拉列表中所需选项，单击Display显示所需云图。,案例1,速度云图：,案例1,Na3AsO4摩尔分数云图（反应物）,案例1,Na2HAsO4摩尔分数云图（生成物）,案例1,创建监测线：SurfaceLine/Rake,案例1,数据处理：,案例1,Na2HAsO4质量分数变化曲线（生成物）,案例1,Na3AsO4质量分数变化曲线图（反应物）,案例2,利用Gambit软件，建立一大气污染扩散的二维模型。几何模型的尺寸为20m20m。由于内部结构简单，选择结构化网格方法，选用四边形网格，网格大小为1m。网格划分如图所示。定义边界条件：一个大气环境风速入口，一个污染物排放速度入口，一个自由出口，其余面默认为固壁。,案例2,案例2,案例2,案例2,案例2,该案例不涉及反应，故不勾选Reactions下拉列表中Volumetric。在Material设定中也不再考虑反应。,案例2,
