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
2、试验的补充，但更节省费用和人力。 CFD商业软件 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
3、学科。CFD一般要通过数值方法求解以下的控制方程组 质量守恒方程 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
4、，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
5、成该模型的模拟，绘制不同截面的 AsO43-、 HAsO42-和 H2AsO4-浓度等值线。模拟过程中涉及到的主要化学反应为 : Na3AsO4+H2ONa2HAsO4+NaOH Na2HAsO4+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 500m 30m 4m（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
6、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 Fluent version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 :Def
7、ineModels 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,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
