ANSYS稳态渗流计算的关键技术及岩土应用实操
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导读:由南华大学周炬老师编著,人民邮电出版社出版的《ANSYS Workbench有限元分析实例详解(热学与优化)》预计2024年8月正式上市。将带给工程师、Workbench学习者系统介绍Ansys Workbench热学与优化功能介绍及软件行业应用,帮助读者获得Ansys热学与优化分析能力。一、ANSYS稳态渗流计算的关键技术
稳态渗流是指在给定的边界和初始条件下,水在土体中流动时达到一种稳定状态,即水的压力、流速等不随时间变化,形成一种稳定的渗流场。此时,土体中的含水量、基质吸力和渗透系数也相对固定,但其在土体中的分布由土体的边界条件和初始条件来决定。ANSYS作为一款功能强大的有限元分析软件,在稳态渗流计算中发挥着重要作用。它可以通过建立工程结构的数值模型,并设置相应的边界条件和初始条件,来模拟和分析工程结构在稳态渗流条件下的渗流特性。Ansys稳态渗流计算的关键技术包括:ANSYS稳态渗流计算的核心是有限元法。有限元法是一种将连续体离散化为有限个单元,并通过求解这些单元上的近似解来逼近原问题的数值方法。在渗流问题中,有限元法将渗流区域划分为多个小单元,并在每个单元上建立渗流方程,最终通过求解这些方程得到渗流场的分布。
2、渗流场与温度场的比拟
在Ansys中,稳态渗流计算常利用渗流场与温度场在微分方程、初始条件及边界条件等方面的相似性,将渗流问题转化为温度场问题来求解。这种方法简化了计算过程,提高了计算效率。通过将渗流速度、渗流压力等参数类比为温度场中的温度梯度、热流密度等参数,可以利用Ansys的温度场分析模块来求解渗流问题。
当前,Ansys稳态渗流计算作为一种高效、准确的数值分析方法,在土石坝渗流分析、堤防渗流分析和地下结构渗流分析具有广泛的应用前景。随着计算机技术的不断发展和Ansys软件的不断完善,稳态渗流计算将更加智能化、自动化和精细化。未来,我们可以期待ANSYS稳态渗流计算在更多复杂工程问题中的成功应用,为工程安全和可持续发展提供更加坚实的保障。以下节选自周炬老师新书《ANSYS Workbench有限元分析实例详解(热学与优化)》内容,让读者朋友提前感受该图书的风格一下:二、稳态渗流计算案例实操
由于扩散与传热分析计算原理相似,利用相似性原则,将原温度场相关参数等效为扩散中相关参数,即可用温度场研究扩散分析。该方法不仅在Ansys软件中应用,在ADINA等软件中同样采用。下面以岩土等孔隙介质中的稳态渗流分析进行说明。计算模型如图1所示(为简化计算,采用二维模型,必须基于XY平面,各模型采用Share连接),基岩尺寸为37m×10m;沙砾料和混凝土坝尺寸如图;其中沙砾料的渗透系数为2E-4m.s-1、混凝土的渗透系数为3E-8m.s-1、基岩的渗透系数为5E-7m.s-1;左侧水位为4m、右侧水位为1m;沙砾料与基岩之间为隔水层,求水力梯度情况。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1723827610933_w87bo3.jpg?imageView2/0)
如图2所示,建立以下分析流程。A框架结构的Spaceclaim建模模块、B框架结构的Steady-State Thermal稳态热分析。Engineering Data项新建1、2、3材料,分别定义其热传导系数为0.0002、3E-8、5E-7。如图3所示。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1723827614589_rorsqx.jpg?imageView2/0)
双击B4 Model项进入Mechanical前处理。先点击Geometry\Geom\Surface-2D Behavior项选择为Plane Stress,定义模型为平面应力;再分别对各个模型定义对应的材料参数,Geometry-Geom\Surface(左梯形)模型Assignment处选择1;Geometry-Geom\Surface(右梯形)模型Assignment处选择2;Geometry-Geom\Surface(长方形)模型Assignment处选择3。为后续定义边界条件,分别新建两个坐标系,如图4所示。其中Coordinate System以左梯形左边线为对象,原点在左下角;Coordinate System2以右梯形右边线为对象,原点在右上角。图4 坐标系定义
网格划分中定义Element Size项为0.25m,其余默认,如图5所示。如图6所示,依题意对所选边线定义绝热层(隔水层)。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1723827608129_98wyii.jpg?imageView2/0)
选择左梯形的左边线,对其加载Temperature(水位),由于水位在此边线上表现为梯度分布,所以在Magnitude处选择为Tabular Data,在Independent Variable处选择为X,Coordinate System处选择之前创建的Coordinate System。在Tabular Data中定义梯度温度,其中0m对应4℃,4m对应0℃,如图7所示。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1723827608748_ck0fs4.jpg?imageView2/0)
选择长方形左上水平线,对其加载Temperature(水位),在Magnitude处定义为4℃,如图8所示。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1723827613994_85kiey.jpg?imageView2/0)
选择右梯形的右边线,对其加载Temperature(水位),由于水位在此边线上同样表现为梯度分布,所以在Magnitude处选择为Tabular Data,在Independent Variable处选择为X,Coordinate System处选择之前创建的Coordinate System 2。在Tabular Data中定义梯度温度,其中3m对应0℃,4m对应1℃,如图9所示。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1723827610459_iryv9b.jpg?imageView2/0)
选择长方形右上水平线,对其加载Temperature(水位),在Magnitude处定义为1℃,如图10所示。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1723827608517_yawkwx.jpg?imageView2/0)
后处理需得到梯度结果,还必须插入Command,如图11所示,Command内容如下:图11 Command设置
计算完成后,查看Temperature(水位)后处理,其中Contours处选择Isolines项,结合Probe,可得水位等值线图,如图12所示。如图13所示,在Solution项点击Worksheet,在出现的表格中选择TGX、TGY、TGSUM查看X向、Y向和汇总温度梯度(X向、Y向、总水位梯度)和TFX、TFY、TFSUM查看X向、Y向和汇总热通量梯度(X向、Y向、总扩散通量梯度),再点击Create User Defined Result即可,还可以重点观察隔水层附近的TGVECTORS后处理,其中箭头即为运移趋势。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1723827609980_iqzyit.jpg?imageView2/0)
图12 后处理
三、周炬老师新书上市粉丝沙龙
以上是《ANSYS Workbench有限元分析实例详解(热学与优化)》图书的内容节选。该图书预计在2024年8月正式上市。
8月21日19时30分,仿真秀联合人民邮电出版社励步图书,邀请南华大学周炬老师带来《ANSYS Workbench热学与优化-周炬老师新书上市粉丝沙龙》,届时,还有来自某主机厂集团技术专家刘天师带来自己授权发专利 《控制器水冷散热结构的散热片布局优化》分享——在产品散热能力不变基础上 这个结构的冷却液流动阻力大概比常规设计降低了1/5。
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以下是直播安排
ANSYS Workbench热学与优化:南华大学周炬老师新书上市粉丝沙龙-仿真秀直播
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