使用 CFD 加强水资源管理：全面概述

探索 CFD（计算流体动力学）在增强保护人类健康的土木和水利工程实践方面的重大贡献。

 

挑战

水资源管理是指规划、开发、分配和管理水资源最佳利用的做法。它包括广泛的活动，旨在确保水得到有效和可持续的利用，以满足各种需求，包括农业、工业、人类消费、能源生产和环境保护。水资源管理的一些关键组成部分包括：

• 供水和分配
  确保住宅、农业和工业用水供应。

  

  
   
• 废水管理
  处理和处置废水以减少污染和保护健康。
   
• 防洪和雨水管理
  管理雨水径流并降低洪水风险。
   
• 灌溉和农业用水
  管理农业用水资源，确保有效的灌溉方法。
   
• 地下水管理
  监测和调节地下水的开采。
   
• 水质管理
  通过适当的处理，确保水源保持清洁和无污染。
   

城市化和农业对水的需求不断增长，需要对气候变化、人口增长、污染和过时的基础设施采取紧急行动。工业污染和低效系统使水的输送和处理变得紧张，这使得可持续管理对未来至关重要。

 

工程解决方案

工程师在保护水管理系统的运行和结构完整性方面发挥着至关重要的作用，尤其是在极端事件期间。除了保持稳定性外，这些系统还必须符合现代标准，并有效处理复杂、不稳定的流动条件。随着挑战的增加，对创新解决方案的需求变得至关重要，CFD 是以下领域的宝贵决策工具：

• 流量预测
  管理波动的流速并防止洪水。

 

• 液压效率
  最大限度地减少能量损失和湍流。
   
• 侵蚀和沉积
  控制侵蚀和沉积物的积累。
   
• 环境影响
  减少下游生态破坏。
   
• 结构完整性
  在极端条件下保护结构。
   
• 改造和现代化
  升级旧设计以满足现代需求。
   
• 非定常流
  通过 CFD 仿真有效地处理非定常和瞬态流。

 

方法

CFD 通过简化的工作流程实现高保真仿真。采用了不同的功能，例如求解流动/压力模式和湍流的 RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯）方程、质量和传热建模、污染物的物质传递、用于粒子跟踪的离散相建模 （DPM）、应用于自由表面流的流体体积 （VOF） 以及用于更复杂相互作用的多相流。

有时分析涉及不同的运行，因此应用参数研究和优化技术以获得更好的理解。通过 HPC 和 GPU 加速的并行处理可以提高洪水控制和污染物扩散等复杂场景的模拟速度。降阶模型 （ROM） 进一步简化了大规模仿真，有助于优化水务基础设施和决策。

 

结果

CFD 已被证明是各种水管理应用中的宝贵工具，有助于分析和优化复杂系统。由于应用非常多样化，因此结果超出了流体行为仿真的范围。以下是 CFD 在水管理中有效应用的具体示例，展示了其实际优势。

 

PET （聚对苯二甲酸乙二醇酯） 塑料瓶清洗

• 通过喷射水去除注射液中的污垢和其他细菌。
• 找到水撞击瓶子整个表面的注射条件，节省用水量。
• CFD 允许预测液滴和薄膜流动。这可以在选择喷油器之前找到最佳的清洁注射条件。
• 也可以考虑尽可能节省水量的条件。

 

雨水沉积物清除

• 该系统在没有活动部件和过滤系统的情况下实现了 90% 的雨水沉积物。
• 使用 CFD 节省了 50,000 美元的设计成本，在更少的时间和试验时间内获得了原型;也就是说，使用 Ansys CFD 不到 1 周，而每个原型构建需要 20,000 美元 + 8 周。
• 请注意，雨水径流导致了 13% 的受污染河流、20% 的受污染湖泊和 45% 的受污染河口。

 

采出水装置运行

• 

  采出水在钻井作业过程中与石油和天然气一起提取：它可能含有油、化学品、盐和其他污染物。
• 设计师允许油箱表面积有 20% 的安全系数，以考虑到一般设计理论的缺点。
• 优化了最终出水质量，增加了系统中的负载。
• 图显示了澄清器在毯子中接近 8,000 mg/l 固体的浓度分布。

 

溢洪道和涵洞流量等级改进

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  使用 CFD 数据评估南佛罗里达州的不同水工结构以进行决策（参见 HHB 报告 #2015-001）。
• 案例研究：S49 溢洪道的更换设计。在多种运行条件下模拟不同的结构，以评估实施风险，即使在施工过程中也是如此。
• 为强制性许可合规性、水文建模、恢复性能措施评估和供水规划获取准确的流量数据。