Fluent之边界条件的确定（转贴）

cora

利用FLUENT软件包进行计算过程中，边界条件的正确设置是关键的一步。设置边界条件的方法一般是在利用GAMBIT建模过程中设定的，也可以在FLUENT求解器中对边界类型进行重新设定。
     FLUENT软件提供了十余种类型的进、出口边界条件，分别介绍如下。
     (1)速度入口(velocity-inlet)：给出入口边界上的速度。

给定入口边界上的速度及其他相关标量值。该边界条件适用于不可压速流动问题，对可压缩问题不适合，否则该入口边界条件会使入口处的总温或总压有一定的波动。
边界条件设置对话框如附图2-3，输入量包括：速度大小、方向或各速度分量、周向速度(轴对称有旋流动)、静温(考虑能量)等。

附图2-3 速度入口边界设置对话框

    (2)压力入口(pressure-inlet)：给出入口边界上的总压。

压力入口边界条件通常用于流体在入口处的压力为已知的情形，对计算可压和不可压问题都适合。压力进口边界条件通常用于进口流量或流动速度为未知的流动。压力入口条件还可以用于处理自由边界问题。

压力入口边界的设置对话框如附图2-4，其中第一项的表压强与绝对压强、操作压强有如下的关系   

                               
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附图2-4 压力入口边界设置对话框
另外还应注意，这里给出的表压强的大小，是入口边界上的总压。对于不可压缩流动：

对于可压缩流动，有：

压力入口条件需要输入的参数有总压、总温、流动方向、静压、湍流量(用于湍流计算)、辐射参数(考虑辐射)、化学组分质量分数(考虑化学组分)、混合分数及其方差(用PDF燃烧模型)、progress variable(预混燃烧计算)、离散相边界条件(稀疏相计算)及第二相体积分数(多相计算)等。
     (3)质量入口(mess-flow-inlet)：给出入口边界上的质量流量。

质量入口边界条件主要用于可压缩流动；对于不可压缩流动，由于密度是常数，可以用速度入口条件。

质量入口条件包括两种：质量流量和质量通量。质量流量是单位时间内通过进口总面积的质量。质量通量是单位时间单位面积内通过的质量。如果是二维轴对称问题，质量流量是单位时间内通过2π弧度的质量，而质量通量是通过单位时间内通过1弧度的质量。

给定入口边界上的质量流量，此时局部进口总压是变化的，用以调节速度，从而达到给定的流量，这使得计算的收敛速度变慢。所以，如果压力边界条件和质量边界条件都适用时，应优先选择用压力入口边界条件。对于不可压速流动，由于密度是常数，可以选择用速度进口边界条件。
     (4)压力出口(pressure-outlet)：给定流动出口边界上的静压。

对于有回流的出口，该边界条件比outflow边界条件更容易收敛。

给定出口边界上的静压强(表压强)。该边界条件只能用于模拟亚音速流动。如果当地速度已经超过音速，该压力在计算过程中就不采用了。压力根据内部流动计算结果给定。其他量都是根据内部流动外推出边界条件。该边界条件可以处理出口有回流问题，合理的给定出口回流条件，有利于解决有回流出口问题的收敛困难问题。

出口回流条件需要给定：回流总温(如果有能量方程)、湍流参数(湍流计算)、回流组分质量分数(有限速率模型模拟组分输运)、混合物质量分数及其方差(PDF计算燃烧)。如果有回流出现，给定的表压将视为总压，所以不必给出回流压力。回流流动方向与出口边界垂直。

在出口压力边界条件给定中，需要给定出口静压(表压)。当然，该压力只用于亚音速计算。如果局部变成超音速，则根据前面来流条件外推出口边界条件。需要特别指出的是，这里的压力是相对于前面给定的工作压力。
     (5)无穷远压力边界(pressure-far-field)：该边界条件用于可压缩流动。

如果知道来流的静压和马赫数，FLUENT提供了无穷远压力边界条件来模拟该类问题。该边界条件适用于用理想气体定律计算密度的问题。为了满足无穷远压力边界条件，需要把边界放到我们关心区域足够远的地方。

给定边界静压和温度及马赫数。可以是亚音速、跨音速或者超音速。并且需要给定流动方向，如果有需要还必须给定湍流量等参数。

无穷远压力边界条件是一种不反射边界条件。
     (6)自由出流(outflow)：对于出流边界上的压力或速度均为未知的情形，可以选择自由出流边界条件。

这类边界条件的特点是不需要给定出口条件(除非是计算分离质量流、辐射换热或者包括颗粒稀疏相问题)。出口条件都是通过FLUENT内部计算得到。但并不是所有问题都适合，如下列情况，就不能用出流边界条件：

①包含压力进口条件；②可压缩流动问题：⑧有密度变化的非稳定流动问题(即使是不可压缩流动)。

用出流边界条件时，所有变量在出口处扩散通量为零。即出口平面从前面的结果计算得到，并且对上游没有影响。计算时，如果出口截面通道大小没有变化，采用完全发展流动假设。当然，在径向允许有梯度存在，只是假定在垂直出口面方向上扩散通量为零。
     (7)进口通风(inlet vent)：进口通风边界条件需要给定入口损失系数、流动方向和进口环境总压和总温。

对于进口通风模型，假定进口风扇无限薄，通风压降正比于流体动压头和用户提供的损失系数。假定ρ是流体密度，KL是无量纲损失系数，则压降为：

其中：v是与通风方向垂直的速度分量；Δp是流动方向上的压降。
     (8)进口风扇(intakefan)：进口风扇边界条件需要给定压降、流动方向和环境总压和总温。

假定进口风扇无限薄，并且有不连续的压力升高，压力升高量是通过风扇速度的函数。如果是反向流动，风扇可以看成是通风出口，并且损失系数为1。

压力阶跃可以是常数，或者是流动方向垂直方向上速度分量的函数形式。
     (9)出口通风(outletvent)。

出口通风边界条件用于模拟出口通风情况，并给定一个损失系数以及环境(出口)压力和温度。排出风扇给定损失系数和环境静压和静温。

出口通风边界条件需要给定如下参数：静压、回流条件、辐射参数、离散相边界条件、损失系数。
     (10)排气扇(exhaustfan)：排风扇给定压降，环境静压。

排气扇边界条件用于模拟外部排气扇，给定一个压升和环境压力。

假定排气扇无限薄，并且流体通过排气扇的压升是流体速度的函数。
     (11)对称边界(symmetry)：对称边界条件适用于流动及传热场是对称的情形。

在对称轴或者对称平面(如附图2-5)上，既无质量的交换，也无热量等其他物理量的交换，因此垂直于对称轴或者对称平面的速度分量为零。在对称轴或者对称平面上，所有物理量在其垂直方向上的梯度为零。因此在对称边界上，垂直于边界的速度分量为零，任何量的梯度也为零。
计算中不需要给定任何参数，只需要确定合理的对称位置。该边界条件可用于黏性流中运动边界处理。

附图2-5 对称面示意图

     (12)周期性边界(periodic)。见附图2-6。
如果我们关心的流动，其几何边界，流动和换热是周期性重复的，那么可以采用周期性边界条件。FLUENT提供了两种类型：一类是流体经过周期性重复后没有压降(cyclic)；另外一类有压降(periodic)。

附图2-6 周期性边界

     (13)固壁边界(wall)。

对于黏性流动问题，FLUENT默认设置是壁面无滑移条件。对于壁面有平移运动或者旋转运动时，可以指定壁面切向速度分量，也可以给出壁面切应力从而模拟壁面滑移。根据流动情况，可以计算壁面切应力和与流体换热情况。壁面热边界条件包括固定热通量、固定温度、对流换热系数、外部辐射换热、外部辐射换热与对流换热等。

shenzh

我问下,里面有个压力进口边界我觉得有点问题，不知道我的理解是不是错了,"压力进口边界条件通常用于进口流量或流动速度为未知的流动"   .既然是适合流动速度未知的情况,为什么压力入口要设置总压呢?没有流动速度/速率怎么会知道总压呀.  请指教!

cora

原帖由 shenzh 于 2008-9-18 17:02 发表

                               
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我问下,里面有个压力进口边界我觉得有点问题，不知道我的理解是不是错了,"压力进口边界条件通常用于进口流量或流动速度为未知的流动"   .既然是适合流动速度未知的情况,为什么压力入口要设置总压呢?没有流动速度/速率 ...

一般情况下，实验或实际条件下测量总压更为方便

xdqruby

回二楼的，比如水力机械，在只知道总水头的情况下，通过换算就能知道流道进口总压，而不用知道其具体的流速或流量。

linyinxiaojing

对于壁面有平移运动或者旋转运动时，可以指定壁面切向速度分量，也可以给出壁面切应力从而模拟壁面滑移。

对于上面所说的壁面滑移，像轴承中油膜的滑移能模拟吗？