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ANSYS熱分析模塊分析滲流場(chǎng)問(wèn)題的探究
ANSYS熱分析模塊分析滲流場(chǎng)問(wèn)題的探究 摘要:本文分析了溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)的基本理論、微分方程、初始條件和邊界條件的相似性,為后續(xù)利用ANSYS的熱分析模塊來(lái)求解滲流問(wèn)題提供了依據(jù)。通過(guò)計(jì)算黑河金盆大壩0+225主斷面的在正常蓄水位下的流場(chǎng)分布情況,驗(yàn)證了熱分析模塊對(duì)滲流分析結(jié)果的可行性與正確性。
關(guān)鍵詞:ANSYS 熱分析 滲流場(chǎng) 溫度場(chǎng) GEO-SEEPW
ANSYS是一種應(yīng)用十分廣泛的通用的成熟的完備的有限元工程分析軟件。它具有多種多樣的分析能力,從簡(jiǎn)單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)分析,除此之外還有方便用戶設(shè)計(jì)的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言和產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)等附加的功能。[1]
ANSYS軟件能夠提供的分析類型有: ① 結(jié)構(gòu)靜力分析; ② 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析; ③ 結(jié)構(gòu)非線性分析; ④ 結(jié)構(gòu)屈曲分析; ⑤ 電磁場(chǎng)分析; ⑥ 聲場(chǎng)分析; ⑦ 壓電分析; ⑧ 流體動(dòng)態(tài)分析; ⑨ 熱力學(xué)分析。其中熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù),如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度(熱能量)等。ANSYS熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種熱傳遞方式。此外,還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問(wèn)題。但是沒(méi)有直接可以利用的滲流分析模塊,所以本文提出利用熱分析熱傳導(dǎo)模塊來(lái)分析滲流問(wèn)題。
雖然已有比較成熟的滲流分析軟件GEO-SEEPW,但是僅在正分析方面可以應(yīng)用,缺少用戶自定義參數(shù)化語(yǔ)言,不能二次編程,這為滲流參數(shù)設(shè)計(jì)和反分析問(wèn)題帶來(lái)很大限制和不便。ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)[2]為設(shè)計(jì)滲流參數(shù)和反分析滲流參數(shù)提供了有力的工具。
1 滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的理論相似[3] [4]
下面從基本理論、微分方程、初始邊界條件三個(gè)方面來(lái)證明溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)的相似性。
1.1理論基礎(chǔ)的相似
根據(jù)滲流基本理論可知,對(duì)于多孔介質(zhì)滿足達(dá)西定律:
或者 (1)
其中: —滲流量; —斷面面積; —測(cè)壓管水頭; —滲透系數(shù);
—滲徑長(zhǎng)度; —斷面平均流速; —滲透坡降。
而對(duì)于熱傳導(dǎo)定律(傅里葉假設(shè))為:
或者 (2)
其中: —熱(流)量; —斷面面積; —溫度場(chǎng)梯度值; —熱傳導(dǎo)熱流強(qiáng)度; —傳熱系數(shù)。
1.2微分方程相似
滲流場(chǎng)微分方程:
對(duì)于不可壓縮各項(xiàng)異性非均質(zhì)無(wú)源穩(wěn)定滲流微分方程為:
(3)
對(duì)于可壓縮各項(xiàng)異性非均質(zhì)非穩(wěn)定瞬態(tài)滲流微分方程為:
(4)
其中: 、 、 — 、 、 方向的滲透系數(shù); —單位貯存量。
溫度場(chǎng)微分方程:
對(duì)于無(wú)熱源的各項(xiàng)異性非均質(zhì)穩(wěn)定熱傳導(dǎo)微分方程為:
(5)
對(duì)于無(wú)熱源的各項(xiàng)異性非均質(zhì)瞬態(tài)熱傳導(dǎo)微分方程為:
(6)
其中: 、 、 — 、 、 方向的熱傳導(dǎo)傳熱系數(shù); —比熱。
1.3初始條件與邊界條件的相似
滲流場(chǎng)的初始條件: (7)
熱傳導(dǎo)溫度場(chǎng)的初始條件: (8)
第一類邊界條件:
滲流場(chǎng) (9)
溫度場(chǎng) (10)
其中: 、 —時(shí)刻 點(diǎn) 的測(cè)壓管水頭值和溫度值; 、 —邊界上給定的已知測(cè)壓管水頭和溫度函數(shù); —邊界 上的點(diǎn)。
第二類邊界條件:
滲流場(chǎng) (11)
溫度場(chǎng) (12)
其中: 、 —沿邊界法線方向的滲透系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù); 、 —滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)沿邊界法線方向的梯度值; 、 —邊界上給定的已知流速和熱流強(qiáng)度函數(shù); —邊界 上的點(diǎn)。
在不透水邊界和絕熱邊界上,則有: 和 。
位函數(shù)
特征參數(shù)
源強(qiáng)
滲流場(chǎng)
測(cè)壓管水頭
滲透系數(shù)
單位貯存量SS
外滲強(qiáng)度
溫度場(chǎng)
溫度
傳熱系數(shù)
比熱
熱生產(chǎn)率
表1 ANSYS中滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)各種相應(yīng)量比較
2 實(shí)例驗(yàn)證
為了驗(yàn)證熱分析模塊對(duì)滲流問(wèn)題分析的可行性和正確性,本文利用西安市金盆水利樞紐工程(大(II)型二等工程,粘土心墻土石壩)為例。該工程位于西安市的周至縣境內(nèi),壩址距周至縣城約13km。工程以城市供水為主,兼有農(nóng)田灌溉結(jié)合防洪、發(fā)電等綜合利用。樞紐工程由攔河壩、泄洪洞、引水洞、溢洪洞和壩后電站及古河道防滲組成。大壩為粘土心墻砂礫石壩,最大壩高130.00m,壩頂高程600.00m。壩頂長(zhǎng)度440m,寬11m,最大壩底寬度524m,水庫(kù)總庫(kù)容2.0億m3,有效庫(kù)容1.774億m3,大壩屬1級(jí)水工建筑物。
砂卵石壩殼的滲透系數(shù)為2.6×10-3cm/s,反濾層的滲透系數(shù)為1.0×10-5cm/s,粘土心墻的滲透系數(shù)為1.0×10-7cm/s,正常蓄水位594m,下游為490m。
大壩0+225橫斷面(如圖1)。根據(jù)壩體材料的不同,將壩體分為五個(gè)部分,分別為:上游壩殼、心墻上游反濾層、心墻、心墻下游反濾層和下游壩殼,可以建立ANSYS幾何模型(如圖2)。由于邊界條件比較復(fù)雜,本文選用三節(jié)點(diǎn)三角形單元PLANE35。節(jié)點(diǎn)總數(shù)為3456,單元總數(shù)為1643。
圖1 0+225橫斷面圖 圖2 ANSYS幾何模型圖
對(duì)于浸潤(rùn)線的求法,本文利用ANSYS中的生死單元技術(shù)來(lái)確定。
(1)首先假設(shè)浸潤(rùn)線上下的土體滲透系數(shù)一樣,利用/solu求出各點(diǎn)的總水頭。
(2)利用※get命令求得各單元節(jié)點(diǎn)上的測(cè)壓管水頭,并與各單元節(jié)點(diǎn)的 坐標(biāo)值(高程)比較。如果測(cè)壓管水頭小于 坐標(biāo)值,說(shuō)明該點(diǎn)于浸潤(rùn)線以上,殺死該單元。找出所有浸潤(rùn)線以上單元,將其殺死。
(3)重新加載邊界條件并計(jì)算。
(4)重復(fù)2、 3步,直至各點(diǎn)的水頭變化很小。迭代計(jì)算中,有可能需要激活己殺死的單元。
由于這種“死活”單元技術(shù)的基本對(duì)象是單元,因此,若希望足夠精度和足夠光滑的浸潤(rùn)線,網(wǎng)格劃分必須足夠密,但是相應(yīng)的計(jì)算量就也增大,或者采用ANSYS的網(wǎng)格自適應(yīng)功能在浸潤(rùn)線附近以及水頭變化較大區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。
圖3 等勢(shì)圖 & ANSYS熱分析模塊分析滲流場(chǎng)問(wèn)題的探究nbsp; 圖4 流速矢量圖
利用ANSYS的后處理結(jié)果查看模塊,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的圖形化和具體數(shù)值化查看。圖3和圖4分別為三角形土壩計(jì)算結(jié)果的等勢(shì)圖和流速矢量圖。對(duì)于數(shù)值化查看就要使用*GET等讀取ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)的命令進(jìn)行操作。
3 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)比溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)的基本理論、微分方程、初始條件和邊界條件的相似性,為后續(xù)利用ANSYS的熱分析模塊來(lái)求解滲流場(chǎng)問(wèn)題提供了依據(jù),為了驗(yàn)證熱分析模塊對(duì)滲流分析結(jié)果的可行性與正確性,本文通過(guò)金盆水利樞紐工程大壩來(lái)實(shí)例計(jì)算,并通過(guò)ANSYS生死單元技術(shù)確定浸潤(rùn)線,通過(guò)ANSYS后處理模塊/post1來(lái)查看滲流場(chǎng)的等勢(shì)線和流速分布情況。
本文的重要意義在于,利用ANSYS的APDL參數(shù)化及其優(yōu)化設(shè)計(jì),突破了滲流分析軟件GEO-SEEPW只能分析滲流正問(wèn)題,以及對(duì)用戶不能使用用戶參數(shù)化定義的限制,為分析研究滲流問(wèn)題提供了一種有效的滲流參數(shù)設(shè)計(jì)以及反分析的思路。
參考文獻(xiàn)
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