(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111402179.X (22)申请日 2021.11.19 (71)申请人 杭州电子科技大 学 地址 310018 浙江省杭州市钱塘区白杨街 道2号大街1 158号 (72)发明人 陈升　赵威　杨俊毅　周炜昌　 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 基于Fluent软件的热液羽流运动特性数值 模拟方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于Fluent软件的热液羽 流运动特性的数值模拟方法。 具体为： 一、 构建自 定义函数； 二、 建立动力学模型； 三、 划分网格； 四、 数值求解， 确定羽流最大上升高度与中性浮 力层高度计算公式； 五、 输 出求解结果。 本发明能 模拟出热液羽流的各个参数变化， 有助于了解海 洋的物质输送和能量循环； 同时， 相比传统的深 海原位测量， 具有成本低、 数据完整的优点。 结果 表明在相同工况下， 仿真结果与实测结果对比的 最大上升高度与中性浮力层高度基本吻合， 误差 小于5％。 权利要求书3页 说明书10页 附图3页 CN 114036870 A 2022.02.11 CN 114036870 A 1.一种基于Fluent软件的热液羽流运动特性的数值模拟方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： S1.构建自定义 函数： (1)获取海底热 液羽流的实际探测资料； (2)构建出海水密度、 湍流粘度、 比热容以及导热率分别随海水温度变化的自定义函 数； (3)构建线性垂直变化温度场的自定义 函数； S2.建立动力学模型： 通过质量守恒得到的连续 性方程， 基于动量守恒， 通过湍流粘度假设把雷诺应力与平均速度梯度联系起来， 得出非定常 雷诺时均Navier ‑Stokes方程， 基于能量守恒， 通过梯度扩散假设把温度通量与平均温度梯度联系起来， 得出雷诺平 均能量方程， 使用k‑ε湍流模式描述羽流运动， 湍流动能k和湍流耗散率ε分别用下式所示的运输方 程来求解， 其中， 对于不可压缩流体Gb＝0， 羽流 运动的湍流粘度系数如下： S3.网格划分： 绘制几何模型， 设置羽流的最大 上升域， 用非结构性 三角网格覆盖轴对称切面， 网格分布特 征为， 网格从下到上， 从中间到 两侧， 逐渐 变得稀疏， 通过网格偏度指标来判断网格质量； S4.数值求解， 确定羽流 最大上升高度与中性 浮力层高度计算公式； S5.输出代 表羽流运动特征的模拟结果。 2.如权利要求1所述的一种基于Fluent软件的热液羽流运动特性的数值模拟方法， 其 特征在于， 所述S4包 含以下步骤： S41设置边界条件： 设置喷口为速度入口边界条件， 流体域的底部为无滑移边界条件， 设流体域的顶部为 压力出口边界条件， 其 他流体域的边界为固定壁 面，权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114036870 A 2设置环境 参数， 设置热液流体的喷发速度和流体域除喷口外的其 他区域流速， 设置热液流体的喷发温度， 设置流体域的温度场为从底部到顶部的线性垂直变化， 设 置底部海水温度， 顶部海水温度， 根据线性温度场条件， 构造温度场函数， 设置喷口距离地平线距离， 喷口距离海底 距离， 设定出口处没有回流， 设置压力出口边界条件的表压为0， 始终保持恒定的静压， 使得 流体可以流入和流出边界， 设置海水 材料， 设置羽流 运动过程中的盐度是小范围内变化的， 设置海水密度、 比热、 导热系数及湍流粘度与海水温度的关系； S42.求解法的选择： 羽流动力学模型选择Ansys ‑Fluent仿真分析得出数值解： 选用湍流模型中的k ‑ε模型， 求解器选择基于 压力‑速度耦合方程的PISO算法； S43.边界初始化并设置迭代参数： 通过有限体积法的离 散方法将控制方程离 散得到代数 方程组， 设置仿真的总积分时间， 选择瞬态计算， 设置时间步长和子步迭代数； S44.判断计算是否收敛， 做为终止Fluent计算的条件； S45.确定羽流 最大上升高度与中性 浮力层高度计算公式 通过对比不同工况的浮力频率N和源浮力通量B得到系数k1和系数k2， 进而得出羽流最 大上升高度与中性 浮力层高度的计算公式 3.如权利 要求1或2所述的一种基于Fluent软件的热液羽流运动特性的数值模拟方法, 其特征在于， 所述步骤S3中， 在绘制几何模型前， 进行轴对称假设： 热液羽流在空间中的运 动可以看成是圆柱体的流体域， 羽流沿着底面中心线 上升， 在运动视图， 可将空间运动轴对 称假设为 二维平面 运动。 4.如权利 要求1或2所述的一种基于Fluent软件的热液羽流运动特性的数值模拟方法, 其特征在于， 所述S3步骤中的网格偏度指标， 选用如下偏斜系数公式进行计算： 且偏斜系数的评价及取值范围如下： 优秀(0～0.25)， 非常好(0.25～0.50)， 好(0.50～ 0.80)， 可接受(0.80～0.95)， 差(0.95～0.98)， 不可接受(0.98～1)。 5.如权利要求2所述的一种基于Fluent软件的热液羽流运动特性的数值模拟方法， 其 特征在于， 所述S4 1步骤中顶部海 水温度的确定方法为： 根据每次实验对照组而设定不同的 顶部海水温度值， 根据线性温度场条件， 构造温度场函数T＝2.2+0.01H 。 6.如权利要求2所述的一种基于Fluent软件的热液羽流运动特性的数值模拟方法,其 特征在于， 所述S41步骤中设置海水 材料为纯水。 7.如权利 要求1或2所述的一种基于Fluent软件的热液羽流运动特性的数值模拟方法,权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114036870 A 3