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1、有自由表面的水流1、问题描述：一个敞开到大气的大容器，顶部半径为1m，高为1m，内部高度的1/3充满水，水上为空气。容器以角速度3rad/sec匀角速旋转。利用FLUENT-2d求解计算容器内的水流情况以及自由表面形状的变化过程。主要参数如下：角速度： =3rad/s；空气密度：=1.225kg/m；黏度： =178940kg/（m.s）；水的密度：=998.2kg/ m =1x10kg/（m.s）2、利用GAMBIT建模：1、在gambit中建模时只需要建一半容器的一般模型,容器在xy平面内关于y轴对称，。如图1所示。图1 半个容器的轮廓图2、网格划分进行线网格划分，如图2所示。图2 线网格

2、分布图在面上创建结构化网格，如图3所示。图3 面网格图3、设置边界类型（1）边X=0为压力入口（2）边Y=0为对称轴（3）其他为固壁 如图4所示。图4 边界类型设置4、保存rotat.msh文件。3、利用FLUENT求解器进行求解1、启动FLUENT求解器，将前处理建立的.msh文件导入到fluent-2d中。节点数为1271，单元数为1200。进行网格检查，网格体积必须全大于0。长度单位设置为分米。2、设置求解器（1）定义轴对称旋转瞬态流动模型。在space项选择轴对称旋转流动（axissymmetric swirl）；在time项选择非定常流动（unsteady）；在velocity fo

3、rmulation选择绝对速度（absolute）；在unsteady formulation项选择一阶隐式算法（1st-order implicit），其它选择默认。（2）设置vof模型在model项选择vof；在vof scheme项选择显式求解。相得数量设置为2.（3） 设置湍流模型Model设置为标准的-模型，其它保持默认。3、设置流体材料和属性 从材料数据库中复制液态水，作为第二流体。4、设置基本相和第二相 空气为基本相，水为第二相。5、设置操作环境在此处设置x方向的重力加速度为9.81m/s，如图5所示。并且设置工作流体的密度，保留默认设置即可。图5 操作环境设置6、设置边界条件

4、设置容器顶部的边界条件，如图6、7所示。图6 压力入口边界条件设置图7 压力入口边界条件设置设置容器固壁的边界条件，如图8。图8 壁面边界条件设置7、求解。 设置求解控制参数，图9所示。图9 求解控制参数设置 设置残差监视器 设置监测点 监测点的坐标为（0.75,0.65） 如图10所示。图10 监视器设置求解初始化 选择压力入口为初始项。设置水的初始分布 在迭代计算之前定义好在容器的下部1/3内。水的体积比例为1，并以3rad/s的角速度旋转如图11所示。因此需要为此区域定义一个单元，另外，还需为容器的旋转速度定义一个自定义函数。定义自底部起1/3的区域，最大点的坐标和最小点的坐标分别为（0

5、.66,0）和（1,1）。图11 匀角速度旋转的速度分布图显示水的体积比例分布图，如图12所示。图12 容器内的初始水、气分布图设置迭代计算时间间隔设置时间间隔为0.002s，自动保存的时间间隔为100步，设置1000个时间间隔计算。时间间隔为0.002s，在计算t=2s内的流动过程中，fluent会每隔0.2s自动保存一次date文件。其轴向速度随时间的变化过程如图13所示。图13 监测点轴向速度变化图从图中可以看出速度波动的周期为1s，波幅显示出下降的趋势。轴向速度从正值变为负值说明水在容器的边上是上下晃动的，流体质点趋向于一个平衡位置。波幅衰减说明在某一点上会达到这一平衡。8、计算结果的

6、后处理 绘制水气分布图分别显示在0.2s、0.4s，0.6s，0.8s，1.0s时容器内的水气分布云图。如图14所示。（a）0.2s时水气分布云图（b）0.4s时水气分布云图 （c）0.6s时水气分布云图（d）0.8s时水气分布云图 （e）1.0s时水气分布云图图14 容器内的水气分布云图图14（a）（e）分别为容器在0.2s、0.4s、0.6s、0.8s、1s时的水气分布云图，从中可以看出水面时随着时间逐渐趋于平衡的。这是因为旋转速度是随着时间而波动并逐渐衰减的，所以水面也会随着速度的减小趋于水平。可以预期后面的计算结果是水面将逐渐趋于平衡，当重力和离心力水平时，水面达到了平衡。 绘制速度矢

7、量图和等流函数云图分别绘制在各个时间下容器的速度矢量与等流函数云图图，如图15所示。（a）0.2s时容器速度矢量与等流函数云图（b）0.4s时容器的速度矢量与等流函数云图（c）0.6s时容器的速度矢量与等流函数云图（d）0.8s时容器的速度矢量与等流函数云图（e）1.0s时容器的速度矢量与等流函数云图（f）1.2s时容器的速度矢量与等流函数云图（g）1.4s时容器的速度矢量与等流函数云图（h）1.6s时容器的速度矢量与等流函数云图（i）1.8s时容器的速度矢量与等流函数云图（g）2.0s时容器的速度矢量与等流函数云图图15 容器的速度矢量与等流函数云图图15（a）（g）是速度矢量和等流函数云图。从图中可以看出，在速度较大时容器底部两侧靠近壁面处水流形成涡流现象。随着速度的减小，涡流逐渐消失，可以预测后面的计算结果是水面将逐渐趋于平衡，当重力和离心力水平时，涡流现象完全消失。等流函数云图显示的是水面上下波动的循环流动。可以看出容器底部的水流循环呈现出逐渐衰弱的趋势，主要也是因为速度的减小导致水流循环的减弱。