ANSYS熱分析模塊分析滲流場問題的探討

1、ANSYS熱分析模塊分析滲流場問題的探討摘要：本文分析了溫度場與滲流場的大體理論、微分方程、初始條件 和邊界條件的相似性，為后續(xù)利用AXSYS的熱分析模塊來求解滲流問 題提供了依據(jù)。通過計算黑河金盆大壩0+225主斷面的在正常蓄水位 下的流場散布情形，驗證了熱分析模塊對滲流分析結(jié)果的可行性與正 確性。關鍵詞：ANSYS熱分析 滲流場 溫度場GE0-SEEPWANSYS是一種應用十分普遍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，從簡單的線性靜態(tài)分析到復雜的非 線性動態(tài)分析，除此之外還有方便用戶設計的參數(shù)化設計語言和產(chǎn)品 的優(yōu)化設計等附加的功能。1ANSYS軟件能夠提供的

2、分析類型有：結(jié)構(gòu)靜力分析；結(jié)構(gòu)動 力分析；結(jié)構(gòu)非線性分析；結(jié)構(gòu)屈曲分析；電磁場分析; 聲場分析；壓電分析；流體動態(tài)分析；熱力學分析。 其中熱分析用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度散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、熱對流及熱輻射三種熱傳遞方式。另外，還能夠分析相 變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題?？墒菦]有直接能夠利用的滲流分析 模塊，因此本文提出利用熱分析熱傳導模塊來分析滲流問題。盡管已有比較成熟的滲流分析軟件GEO-SEEPW,可是僅在正分析方面 能夠應用，缺少用戶自概念參數(shù)化語言，不能二次編程，這為滲流參 數(shù)設計和反分析問題帶來專門

3、大限制和不便。ANSYS的參數(shù)化設計語 言（APDL） 2為設計滲流參數(shù)和反分析滲流參數(shù)提供了有力的工具。 1滲流場與溫度場的理論相似3 4下面從大體理論、微分方程、初始邊界條件三個方面來證明溫度場與 滲流場的相似性。理論基礎的相似依照滲流大體理論可知，關于多孔介質(zhì)知足達西定律：或（1）其中：一滲流量；一斷面面積；一測壓管水頭；一滲透系數(shù)； 一滲徑長度；一斷面平均流速；一滲透坡降。而關于熱傳導定律（傅里葉假設）為：或（2）其中：一熱（流）量；一斷面面積；一溫度場梯度值；一熱傳導 熱流強度；一傳熱系數(shù)。微分方程相似滲流場微分方程：關于不可緊縮各項異性非均質(zhì)無源穩(wěn)固滲流微分方程為：（3）關于可緊縮

4、各項異性非均質(zhì)非穩(wěn)固瞬態(tài)滲流微分方程為:（4）其中：、一、方向的滲透系數(shù)；一單位貯存量。溫度場微分方程：關于無熱源的各項異性非均質(zhì)穩(wěn)固熱傳導微分方程為：（5）關于無熱源的各項異性非均質(zhì)瞬態(tài)熱傳導微分方程為：（6）其中：、一、方向的熱傳導傳熱系數(shù)；一比熱。初始條件與邊界條件的相似滲流場的初始條件：（7）熱傳導溫度場的初始條件：（8）第一類邊界條件：滲流場 （9）溫度場（10）其中：、一時刻點的測壓管水頭值和溫度值；、一邊界上給定的己知測壓管水頭和溫度函數(shù)；一邊界 上的點。第二類邊界條件：滲流場 （11）溫度場 （12）其中：、一沿邊界法線方向的滲透系數(shù)和導熱系數(shù)；、一滲流場 和溫度場沿邊界法線方

5、向的梯度值；、一邊界上給定的已知流速和熱流強度函數(shù)；一邊界上的點。在不透水邊界和絕熱邊界上，那么有：和。位函數(shù)特點參數(shù)源強滲流場測壓管水頭滲透系數(shù)單位貯存量SS外滲強度溫度場溫度傳熱系數(shù)比熱熱生產(chǎn)率表1 ANSYS中滲流場與溫度場各類相應量比較2實例驗證為了驗證熱分析模塊對滲流問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)田澆灌結(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

6、壩高，壩頂高程。壩頂長度440nb寬 Um,最大壩底寬度524nb水庫總庫容億m3,有效庫容億m3,大壩屬1級水工建筑物。砂卵石壩殼的滲透系數(shù)為x 10-3cm/s,反濾層的滲透系數(shù)為義 10-5cm/s,粘土心墻的滲透系數(shù)為X 10-7cm/s,正常蓄水位594nb下 游為490m。大壩0+225橫斷面（如圖1）。依照壩體材料的不同，將壩體分為五個 部份，別離為：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，能夠成立ANSYS幾何模型（如圖2）。由于邊界條件比較 復雜，本文選用三節(jié)點三角形單元PLANE35。節(jié)點總數(shù)為3456,單元 總數(shù)為1643。圖1 0+225橫斷面圖 圖

7、2 ANSYS幾何模型圖關于浸潤線的求法，本文利用AXSYS中的生死單元技術來確信。（1）第一假設浸潤線上下的土體滲透系數(shù)一樣，利用/solu求出各點 的總水頭。（2）利用get命令求得各單元節(jié)點上的測壓管水頭，并與各單元節(jié) 點的坐標值（高程）比較。若是測壓管水頭小于坐標值，說明該點 于浸潤線以上，殺死該單元。找出所有浸潤線以上單元，將其殺死。（3）從頭加載邊界條件并計算。（4）重復二、3步，直至各點的水頭轉(zhuǎn)變很小。迭代計算中，有可 能需要激活己殺死的單元。由于這種“死活”單元技術的大體對象是單元，因此，假設希望足夠 精度和足夠滑膩的浸潤線，網(wǎng)格劃分必需足夠密，可是相應的計算量就也增大，或采納

8、AXSYS的網(wǎng)格自適應功能在浸潤線周圍和水頭轉(zhuǎn)變 較大區(qū)域進行局部網(wǎng)格加密。圖3等勢圖圖4流速矢量圖利用ANSYS的后處置結(jié)果查看模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對計算結(jié)果的圖形化和 具體數(shù)值化查看。圖3和圖4別離為三角形土壩計算結(jié)果的等勢圖和 流速矢量圖。關于數(shù)值化查看就要利用*GET等讀取AXSYS數(shù)據(jù)庫的命 令進行操作。3結(jié)論本文通過對照溫度場與滲流場的大體理論、微分方程、初始條件和邊 界條件的相似性，為后續(xù)利用AXSYS的熱分析模塊來求解滲流場問題 提供了依據(jù)，為了驗證熱分析模塊對滲流分析結(jié)果的可行性與正確性, 本文通過金盆水利樞紐工程大壩來實例計算，并通過AXSYS生死單元 技術確信浸潤線，通過ANSYS后處置模塊/postl來查看滲流場的等勢 線和流速散布情形。本文的重要意義在于，利用ANSYS的APDL參數(shù)化及其優(yōu)化設計，沖破 了滲流分析軟件GE0-SEEPW只能分析滲流正問題，和對用戶不能利用 用戶參數(shù)化概念的限制，為分析研究滲流問題提供了一種有效的滲流 參數(shù)設計和反分析的思路。 參考文獻1強鋒科技，李黎明.ANSYS有限元分析有效教程M.北京：清華大 學出版社，2005.2博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)