【摘要】随着计算机技术的迅速发展，水力学与计算机技术的有机结合增强了解决水力学疑难问题的能力。数值模拟软件是理论研究成果与实际工程相结合的计算水力学商业软件的杰出代表之一。本文首先介绍了数值模拟软件的一些特点及应用领域，然后总结了它在水力学中的应用现状，指出了它具有计算快速、简捷、方便等优点，最后对数值模拟软件的应用进行了展望。
【关键词】数值模拟软件；水力学；计算机模拟；CFD
1、计算机模拟作为水力学研究的手段之一
具有以下优点：费用低廉，而且随着计算机技术的飞速进步，这一优点越来越突出；省时高效；可实现对多种复杂物理条件下流场的真实和全域的模拟；也可实现理想状态下的模拟，比如可以将某一现象单独隔离开来进行研究；与物理模型试验只能针对某些点进行量测相比，计算机模拟所提供的信息量大而丰富。随着计算机功能的不断完善与提高，水力学与计算机技术的有机结合将极大的增强解决疑难问题的能力。水力学模型的进步、流场可视化技术的发展以及水力信息学的普及应用，都是这方面的体现。加强水力学的算法研究和软件开发，把计算机和水力学密切结合起来，已成为现代水力学研究的重要任务之一。
近年来，随着计算机技术的迅速发展，计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）作为一门独立的学科逐渐成为流体力学和应用数学的热门研究内容，且发展日趋成熟。在这一趋势下，将理论研究成果与实际工程相结合的CFD商业软件应运而生，FLUENT便是其中的杰出代表。FLUENT软件的设计基于“CFD软件群”思想，可针对各种不同流动的特点，采用最佳的数值解法，在计算速度、稳定性、精度等方面达到优化组合，从而高效地解决各领域的复杂流动计算问题，准确模拟流动、传热和化学反映等物理现象。1FLUENT软件简介
FLUENT公司在CFD商用软件，市场上占有领导地位，其市场占有达40%左右。FLUENT软件的功能很全面，适用性也很广，它将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD计算机软件群，包括前处理、数值求解和后处理三大模块，核心部分是N-S方程组的求解模块。FLUENT软件要包括GAMBIT和FLUENT。其中GAMBIT是CFD计算中的前处理器，FLUENT是求解器的一种。对于模拟复杂流场结构的不可压缩或可压缩流动来说，FLUENT是很理想的软件。对于不同的流动类型，还可以应用FLUENT提供的其它专业求解器。
2、数值模拟软件在水力学中的应用现状
FLUENT软件于1998年进人中国市场。FLUENT软件在我国应用的也很广泛。FLUENT软件在空气流场中的应用已比较成熟。田铖等模拟了地铁专用轴流风机的内部流场；李磊等模拟了两种风向条件下街区风速分布和CO质量浓度的分布情况；杨伟等计算了大气边界层中单栋高层建筑的定常风流场；赵琴对空调室内的温度场进行了计算机模拟。 FLUENT软件在水流流场中的应用不同于单纯的空气流场。水利工程问题边界复杂，水气混掺，存在多个自由水面，需要采用二相流模型，计算机模拟的成果还不多。Salaheldin等对垂直圆墩周围的三维流场进行了计算机模拟；刘加海等在水槽中对二维规则波进行了计算机模拟；韩龙喜等在环形水槽中对三维流场进行了计算机模拟。Chen等采用双方程紊流模型，对阶梯溢流坝流场进行了三维紊流计算机模拟，得出溢流坝沿程的自由水面位置、速度大小和分以及阶梯面上的压力等重要流场特性。刁明军等采用VOF法对挑流消能从库区到下游水垫塘进行了水气二相流计算机模拟，得到射流的空中轨迹线、水垫塘的自由水面和计算域的压力、流速、紊动能及紊动能耗散率分布。杨忠超等结合向家坝水电工程，采用VOF法和RNG紊流模型对多股多层水平淹没射流进行三维计算机模拟，得出中孔和表孔联合泄洪时消力池的流速和紊动能分布。陈云良等根据某电站进水口1：50模型试验结果，对进水口流场进行了计算，研究来流、复杂地形边界等对进水口流态的影响。张挺等对索风营电站X形宽尾墩和阶梯溢流坝联合消能的三维流场进行数值计算，给出压力特性、流速分布、阶梯及墩后水气两相流的部分特性。周勤等对小南海水库双弯曲型溢洪道原型流场进行三维计算机模拟，得出溢洪道沿程水面线和速度等重要水力参数。叶茂等结合典型工程算例，就复杂水气交界面的处理、模型建体和网格划分等问题作详细介绍。罗挺等以win-dows2000操作系统和通用CFD软件工具FLUENT为基础，研究构建了不同的并行计算硬件平台的力法，计算了典型的山谷污染物扩散过程的湍流流场。可见，FLUENT软件在水力学中的应用已逐步展开，计算机模拟同试验研究相比，具有成本低、方案变化快、无测量仪器干扰、无比尺效应和数据信息完整等优势，可作为模型试验的有力补充，如进水口模型试验在高水位时，无法用常规仪器测量进口周围的流速，而数值计算则可得到全域流场特性。另外，由于其减少了研究者在计算方法、编程、前后处理等方而投入的重复、低效的劳动，将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质，优化算法选用，参数的设定，因而提高了工作效率，其必然会获得越来越多的应用，应用效果也必将越来越好。
3、结论与展望
通过总结数值模拟软件在水力学中的应用形状，我们可以知道，数值模拟软件应用于水流的计算机模拟，能取得和实验很接近的结果，并且有计算快速、简捷、方便的优点。它不仅能给出反映水流运动总体特性的各项运动参数，如流速、压强等，而且可以方便地计算出各项水流参数的全场分布，能给出相关流场的具体信息。
參考文献：
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