CFD 边界条件.docx

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CFD边界条件

CFD-边界条件

定义边界条件概述

边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值。

它是FLUENT分析得很关键的一部分，设定边界条件必须小心谨慎。

边界条件的分类：

进出口边界条件：

压力、速度、质量进口、进风口、进气扇、压力出口、压力远场边界条件、质量出口、通风口、排气扇；壁面、repeating,andpoleboundaries:

壁面，对称，周期，轴；内部单元区域：

流体、固体（多孔是一种流动区域类型）；内部表面边界：

风扇、散热器、多孔跳跃、壁面、内部。

（内部表面边界条件定义在单元表面，这意味着它们没有有限厚度，并提供了流场性质的每一步的变化。

这些边界条件用来补充描述排气扇、细孔薄膜以及散热器的物理模型。

内部表面区域的内部类型不需要你输入任何东西。

）

下面一节将详细介绍上面所叙述边界条件，并详细介绍了它们的设定方法以及设定的具体合适条件。

周期性边界条件在本章中介绍，模拟完全发展的周期性流动将在周期性流动和热传导一章中介绍。

使用边界条件面板

边界条件（Figure1）对于特定边界允许你改变边界条件区域类型，并且打开其他的面板以设定每一区域的边界条件参数

菜单：

Define/BoundaryConditions...

Figure1:

边界条件面板

改变边界区域类型

设定任何边界条件之前，必须检查所有边界区域的区域类型，如有必要就作适当的修改。

比方说：

如果你的网格是压力入口，但是你想要使用速度入口，你就要把压力入口改为速度入口之后再设定。

改变类型的步骤如下：

:

1.在区域下拉列表中选定所要修改的区域

2.在类型列表中选择正确的区域类型

3.当问题提示菜单出现时，点击确认

确认改变之后，区域类型将会改变，名字也将自动改变（如果初始名字时缺省的请参阅边界条件区域名字一节）,设定区域边界条件的面板也将自动打开。

！

注意：

这个方法不能用于改变周期性类型，因为该边界类型已经存在了附加限制。

创建边界条件一节解释了如何创建和分开周期性区域。

需要注意的是，只能在图一中每一个类别中改变边界类型（注意：

双边区域表面是分离的不同单元区域.）

Figure1:

区域类型的分类列表

设定边界条件

在FLUENT中，边界条件和区域有关而与个别表面或者单元无关。

如果要结合具有相同边界条件的两个或更多区域请参阅合并区域一节。

设定每一特定区域的边界条件，请遵循下面的步骤：

1.在边界条件区域的下拉列表中选择区域。

2.       点击Set...按钮。

或者，1.在区域下拉列表中选择区域。

2.在类型列表中点击所要选择的类型。

或者在区域列表中双击所需区域.，选择边界条件区域将会打开，并且你可以指定适当的边界条件

在图像显示方面选择边界区域

在边界条件中不论你合适需要选择区域，你都能用鼠标在图形窗口选择适当的区域。

如果你是第一次设定问题这一功能尤其有用，如果你有两个或者更多的具有相同类型的区域而且你想要确定区域的标号（也就是画出哪一区域是哪个）这一功能也很有用。

要使用该功能请按下述步骤做：

1.用网格显示面板显示网格。

2.用鼠标指针（默认是鼠标右键--参阅控制鼠标键函数以改变鼠标键的功能）在图形窗口中点击边界区域。

在图形显示中选择的区域将会自动被选入在边界条件面板中的区域列表中，它的名字和编号也会自动在控制窗口中显示

改变边界条件名字

每一边界的名字是它的类型加标号数（比如pressure-inlet-7）。

在某些情况下你可能想要对边界区域分配更多的描述名。

如果你有两个压力入口区域，比方说，你可能想重名名它们为small-inlet和large-inlet。

（改变边界的名字不会改变相应的类型）

       重名名区域，遵循如下步骤：

1.     在边界条件的区域下拉列表选择所要重名名的区域。

2.     点击Set...打开所选区域的面板。

3.在区域名字中输入新的名字4.点击OK按钮。

注意：

如果你指定区域的新名字然后改变它的类型，你所改的名字将会被保留，如果区域名字是类型加标号，名字将会自动改变。

边界条件的非一致输入每一类型的边界区域的大多数条件定义为轮廓函数而不是常值。

你可以使用外部产生的边界轮廓文件的轮廓，或者用自定义函数（UDF）来创建。

具体情况清参阅相关内容

流动入口和出口

FLUENT有很多的边界条件允许流动进入或者流出解域。

下面一节描述了每一种边界条件的类型的使用以及所需要的信息，这样就帮助你适当的选择边界条件。

下面还提供了湍流参数的入口值的确定方法。

使用流动边界条件

下面对流动边界条件的使用作一概述

       对于流动的出入口，FLUENT提供了十种边界单元类型：

速度入口、压力入口、质量入口、压力出口、压力远场、质量出口，进风口，进气扇，出风口以及排气扇。

下面是FLUENT中的进出口边界条件选项：

l  速度入口边界条件用于定义流动入口边界的速度和标量

l  压力入口边界条件用来定义流动入口边界的总压和其它标量。

l  质量流动入口边界条件用于可压流规定入口的质量流速。

在不可压流中不必指定入口的质量流，因为当密度是常数时，速度入口边界条件就确定了质量流条件。

l  压力出口边界条件用于定义流动出口的静压（在回流中还包括其它的标量）。

当出现回流时，使用压力出口边界条件来代替质量出口条件常常有更好的收敛速度。

l 压力远场条件用于模拟无穷远处的自由可压流动，该流动的自由流马赫数以及静态条件已经指定了。

这一边界类型只用于可压流。

l  质量出口边界条件用于在解决流动问题之前，所模拟的流动出口的流速和压力的详细情况还未知的情况。

在流动出口是完全发展的时候这一条件是适合的，这是因为质量出口边界条件假定出了压力之外的所有流动变量正法向梯度为零。

对于可压流计算，这一条件是不适合的。

l  进风口边界条件用于模拟具有指定的损失系数，流动方向以及周围（入口）环境总压和总温的进风口。

l  进气扇边界条件用于模拟外部进气扇，它具有指定的压力跳跃，流动方向以及周围（进口）总压和总温。

l  通风口边界条件用于模拟通风口，它具有指定的损失系数以及周围环境（排放处）的静压和静温。

l  排气扇边界条件用于模拟外部排气扇，它具有指定的压力跳跃以及周围环境（排放处）的静压。

决定湍流参数

在入口、出口或远场边界流入流域的流动，FLUENT需要指定输运标量的值。

本节描述了对于特定模型需要哪些量，并且该如何指定它们。

也为确定流入边界值最为合适的方法提供了指导方针。

使用轮廓指定湍流参量

在入口处要准确的描述边界层和完全发展的湍流流动，你应该通过实验数据和经验公式创建边界轮廓文件来完美的设定湍流量。

如果你有轮廓的分析描述而不是数据点，你也可以用这个分析描述来创建边界轮廓文件，或者创建用户自定义函数来提供入口边界的信息。

一旦你创建了轮廓函数，你就可以使用如下的方法：

l  Spalart-Allmaras模型：

在湍流指定方法下拉菜单中指定湍流粘性比，并在在湍流粘性比之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。

通过将m_t/m和密度与分子粘性的适当结合，FLUENT为修改后的湍流粘性计算边界值。

l   k-e模型：

在湍流指定方法下拉菜单中选择K和Epsilon并在湍动能（Turb.KineticEnergy）和湍流扩散速度（Turb.DissipationRate）之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。

l  雷诺应力模型：

在湍流指定方法下拉菜单中选择K和Epsilon并在湍动能（Turb.KineticEnergy）和湍流扩散速度（Turb.DissipationRate）之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。

在湍流指定方法下拉菜单中选择雷诺应力部分，并在每一个单独的雷诺应力部分之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。

湍流量的统一说明

在某些情况下流动流入开始时，将边界处的所有湍流量指定为统一值是适当的。

比如说，在进入管道的流体，远场边界，甚至完全发展的管流中，湍流量的精确轮廓是未知的。

在大多数湍流流动中，湍流的更高层次产生于边界层而不是流动边界进入流域的地方，因此这就导致了计算结果对流入边界值相对来说不敏感。

然而必须注意的是要保证边界值不是非物理边界。

非物理边界会导致你的解不准确或者不收敛。

对于外部流来说这一特点尤其突出，如果自由流的有效粘性系数具有非物理性的大值，边界层就会找不到了。

你可以在使用轮廓指定湍流量一节中描述的湍流指定方法，来输入同一数值取代轮廓。

你也可以选择用更为方便的量来指定湍流量，如湍流强度，湍流粘性比，水力直径以及湍流特征尺度，下面将会对这些内容作一详细叙述。

湍流强度I定义为相对于平均速度u_avg的脉动速度u^'的均方根。

小于或等于1%的湍流强度通常被认为低强度湍流，大于10%被认为是高强度湍流。

从外界，测量数据的入口边界，你可以很好的估计湍流强度。

例如：

如果你模拟风洞试验，自由流的湍流强度通常可以从风洞指标中得到。

在现代低湍流风洞中自由流湍流强度通常低到0.05%。

.

对于内部流动，入口的湍流强度完全依赖于上游流动的历史，如果上游流动没有完全发展或者没有被扰动，你就可以使用低湍流强度。

如果流动完全发展，湍流强度可能就达到了百分之几。

完全发展的管流的核心的湍流强度可以用下面的经验公式计算：

例如，在雷诺数为50000是湍流强度为4%

湍流尺度l是和携带湍流能量的大涡的尺度有关的物理量。

在完全发展的管流中，l被管道的尺寸所限制，因为大涡不能大于管道的尺寸。

L和管的物理尺寸之间的计算关系如下：

其中L为管道的相关尺寸。

因子0.07是基于完全发展湍流流动混合长度的最大值的，对于非圆形截面的管道，你可以用水力学直径取代L。

如果湍流的产生是由于管道中的障碍物等特征，你最好用该特征长度作为湍流长度L而不是用管道尺寸。

注意：

公式并不是适用于所有的情况。

它只是在大多数情况下得很好的近似。

对于特定流动，选择L和l的原则如下：

l  对于完全发展的内部流动，选择强度和水力学直径指定方法，并在水力学直径流场中指定L=D_H。

l  对于旋转叶片的下游流动，穿孔圆盘等，选择强度和水力学直径指定方法，并在水力学直径流场中指定流动的特征长度为L

l   对于壁面限制的流动，入口流动包含了湍流边界层。

选择湍流强度和长度尺度方法并使用边界层厚度d_99来计算湍流长度尺度l，在湍流长度尺度流场中输入l=0.4d_99这个值

湍流粘性比m_t/m直接与湍流雷诺数成比例（Re_t?

k^2/（en））。

Re_t在高湍流数的边界层，剪切层和完全发展的管流中是较大的（100到1000）。

然而，在大多数外流的自由流边界层中m_t/m相当的小。

湍流参数的典型设定为1

要根据湍流粘性比来指定量，你可以选择湍流粘性比（对于Spalart-Allmaras模型）或者强度和粘性比（对于k-e模型或者RSM）。

推导湍流量的关系式

要获得更方便的湍流量的输运值，如：

I,L,或者m_t/m，你必须求助于经验公式，下面是FLUENT中常用的几个有用的关系式。

要获得修改的湍流粘性，它和湍流强度I长度尺度l有如下关系：

在Spalart-Allmaras模型中，如果你要选择湍流强度和水力学直径来计算l可以从前面的公式中获得。

湍动能k和湍流强度I之间的关系为：

其中u_avg为平均流动速度

除了为k和e指定具体的值之外，无论你是使用湍流强度和水力学直径，强度和长度尺度或者强度粘性比方法，你都要使用上述公式。

如果你知道湍流长度尺度l你可以使用下面的关系式：

其中是湍流模型中指定的经验常数（近似为0.09），l的公式在前面已经讨论了。

除了为k和e制定具体的值之外，无论你是使用湍流强度和水力学直径还是强度和长度尺度，你都要使用上述公式。

E的值也可以用下式计算，它与湍流粘性比m_t/m以及k有关：

其中是湍流模型中指定的经验常数（近似为0.09）。

除了为k和e制定具体的值之外，无论你是使用湍流强度和水力学直径还是强度和长度尺度，你都要使用上述公式。

如果你是在模拟风洞条件，在风洞中模型被安装在网格和/或金属网格屏下游的测试段，你可以用下面的公式：

其中，是你希望的在穿过流场之后k的衰减（比方说k入口值的10%）, 自由流的速度是流域内自由流的流向长度Equation9是在高雷诺数各向同性湍流中观察到的幂率衰减的线性近似。

它是基于衰减湍流中k的精确方程U?

k/?

x=-e.

如果你用这种方法估计e，你也要用方程7检查结果的湍流粘性比m_t/m，以保证它不是太大。

虽然这不是FLUENT内部使用的方法，但是你可以用它来推导e的常数自由流值，然后你可以用湍流指定方法下拉菜单中选择K和Epsilon直接指定。

在这种情况下，你需要使用方程3从I来计算k。

当使用RSM时，如果你不在雷诺应力指定方法的下拉列表中使用雷诺应力选项，明显的制定入口处的雷诺应力值，它们就会近似的由k的指定值来决定。

湍流假定为各向同性，保证

以及

（下标a不求和）.

如果你在雷诺应力指定方法下拉列表中选择K或者湍流强度，FLUENT就会使用这种方法。

对大涡模拟（LES）指定入口湍流

大涡模拟模型一节中所描述的LES速度入口中指定的的湍流强度值，被用于随机扰动入口处速度场的瞬时速度。

它并不指定被模拟的湍流量。

正如大涡模拟模型中介绍的边界条件中所描述的，通过叠加每个速度分量的随机扰动来计算流动入口边界处的随机成分.

压力入口边界条件

压力入口边界条件用于定义流动入口的压力以及其它标量属性。

它即可以适用于可压流，也可以用于不可压流。

压力入口边界条件可用于压力已知但是流动速度和/或速率未知的情况。

这一情况可用于很多实际问题，比如浮力驱动的流动。

压力入口边界条件也可用来定义外部或无约束流的自由边界。

对于流动边界条件的概述，请参阅流动入口和出口一节。

压力入口边界条件的输入

综述

对于压力入口边界条件你需要输入如下信息

l      驻点总压

l      驻点总温

l      流动方向

l      静压

l      湍流参数（对于湍流计算）

l      辐射参数（对于使用P-1模型、DTRM模型或者DO模型的计算）

l      化学组分质量百分比（对于组分计算）

l      混合分数和变化（对于PDF燃烧计算）

l      程序变量（对于预混和燃烧计算）

l      离散相边界条件（对于离散相的计算）

l      次要相的体积分数（对于多相计算）

所有的值都在压力入口面板中输入（Figure1），该面板是从边界条件打开的。

Figure1:

压力入口面板

压力输入和静压头

压力场（p_s^'）和压力输入（p_s^'orp_0^'）包括静压头r_0gx。

也就是FLUENT以下式定义的压力：

或者

这一定义允许静压头放进体积力项（r-r_0）g中考虑，而且当密度一致时，从压力计算中排除了。

因此你的压力输入不因该考虑静压的微分，压力（p^'_s）的报告也不会显示静压的任何影响。

有关浮力驱动流动的内容请参阅浮力驱动流动和自然对流的信息

定义总压和总温

在压力入口面板中的GaugeTotalPressurefield输入总压值。

总温会在TotalTemperaturefield中设定。

记住，总压值是在操作条件面板中定义的与操作压力有关的的总压值。

不可压流体的总压定义为：

对于可压流体为：

其中：

p_0      =总压

p_s    =      静压

M      =      马赫数

c      =      比热比（c_p/c_v）

如果模拟轴对称涡流，方程1中的v包括了旋转分量。

如果相邻区域是移动的（即：

如果使用旋转参考坐标系，多重参考坐标系，混合平面或者滑移网格），而且你是使用分离解算器。

那么方程1中的速度（或者方程3中的马赫数）将是绝对的，或者相对与网格速度。

这依赖于解算器面板中绝对速度公式是否激活。

对于耦合解算器，方程1中的速度（或者方程3中的马赫数）通常是在绝对坐标系下的速度。

定义流动方向

你可以在压力入口明确的定义流动的方向，或者定义流动垂直于边界。

如果你选择指定方向矢量，你既可以设定笛卡尔坐标x,y,和z的分量，也可以设（圆柱坐标的）半径，切线和轴向分量。

对于使用分离解算器计算移动区域问题，流动方向将是绝对速度或者相对于网格相对速度，这取决于解算器面板中的绝对速度公式是否被激活。

对于耦合解算器，流动方向通常是绝对坐标系中的。

定义流动方向的步骤如下，总结请参考Figure1。

1.在方向指定下拉菜单中选择指定流动方向的方法，或者是方向矢量或者是垂直于边界。

2. 如果你在第一步中选择垂直于边界，并且是在模拟轴对称涡流，请输入流动适当的切向速度，如果不是模拟涡流就不需要其它的附加输入了。

3. 如果第一步中你选择指定方向矢量，并且你的几何外形是3维的，你就需要选择定义矢量分量的坐标系统。

在坐标系下拉菜单中选择笛卡尔（X,Y,Z）坐标，柱坐标（半径，切线和轴），或者局部柱坐标。

l  笛卡尔坐标系是基于几何图形所使用的笛卡尔坐标系。

l  柱坐标在下面的坐标系统的基础上使用轴、角度和切线三个分量。

l  对于包含一个单独的单元区域时，坐标系由旋转轴和在流体面板中原来的指定来定义。

l  对于包含多重区域的问题（比如多重参考坐标或滑动网格），坐标系由流体（固体）面板中为临近入口的流体（固体）区域的旋转轴来定义。

对于上述所有柱坐标的定义，正径向速度指向旋转轴的外向。

正轴向速度和旋转轴矢量的方向相同，正切向方向用右手定则来判断。

参阅下图一目了然。

Figure1:

在二维、三维和轴对称区域的柱坐标速度分量

当地柱坐标系统允许你对特定的入口定义坐标系，在压力入口面板中你就可以定义该坐标系统。

如果你对于不同的旋转轴有几个入口，那么当地坐标系会很有用的。

4. 如果你在第一步中指定方向矢量，用如下的方法定义矢量分量：

l  如果是二维非对称图形或者你在第三步中选择矢量分量，请输入适当的X,Y,和（in3D）Z分量。

l  如果是二维轴对称图形或者第三部分选择了柱坐标，请输入适当的半径，角度以及切线方向的分量。

l  如果使用当地柱坐标系，请输入适当的半径，角度以及切线方向的分量，并指定轴向的X,Y,和Z向分量，以及坐标起点的坐标。

图一就是各个坐标系统的矢量分量。

定义静压

如果入口流动是超声速的，或者你打算用压力入口边界条件来对解进行初始化，那么你必须指定静压（termedtheSupersonic/InitialGaugePressure）。

需要记住的是这个静压和你在操作条件面板中的操作压力是相关的。

请参阅有关于压力输入和静压头相关输入的解释。

只要流动是亚声速的，FLUENT会忽略Supersonic/InitialGaugePressure，它是由指定的驻点值来计算的。

如果你打算使用压力入口边界条件来初始化解域，Supersonic/InitialGaugePressure是与计算初始值的指定驻点压力相联系的，计算初始值的方法有各向同性关系式（对于可压流）或者贝努力方程（对于不可压流）。

因此，对于压声速入口，它是在关于入口马赫数（可压流）或者入口速度（不可压流）合理的估计之上设定的。

定义湍流参数

对于湍流计算，有几种方法来定义湍流参数。

至于哪种方法合适请参阅决定湍流参数一节。

湍流模型是在"湍流模型"一章中介绍

定义辐射参数

如果你打算使用P-1辐射模型、DTRM或者DO模型，你就需要设定内部发散率以及（可选）黑体温度。

详情请参阅设定边界条件一节（Rosseland不需要任何边界条件的输入）。

定义组分质量百分比

如果你是用有限速度模型来模拟组分输运，你就需要设定组分质量百分比。

详情请参阅组分边界条件的定义。

定义PDF/混合分数参数

如果你用PDF模型模拟燃烧，你就需要设定平均混合分数以及混合分数变化（如果你是用两个混合分数就还包括二级平均混合分数和二级混合分数变化）。

具体情况如第三步定义边界条件所述。

定义预混和燃烧边界条件

如果使用与混合燃烧模型，你就需要设定发展变量。

请见发展变量的边界条件设定。

定义离散相边界条件

如果你是在模拟粒子的离散相，你就可以在压力入口设定粒子轨道详情请参阅离散向模型的边界设定。

定义多相边界条件

对于多相流如果使用VOF，cavitation或者代数滑移混合模型，你就需要指定所有二级相的体积分数。

详情请参阅VOF模型、cavitation模型或者代数滑移混合模型的边界设定。

压力入口边界条件的默认设定

压力入口边界条件的默认设定如下（国际标准单位）：

GaugeTotalPressure   0

Supersonic/InitialGaugePressure      0

TotalTemperature      300 

X-ComponentofFlowDirection  1

Y-ComponentofFlowDirection  0

Z-ComponentofFlowDirection  0

Turb.KineticEnergy   1

Turb.DissipationRate 1

压力入口边界处的计算程序

FLUENT压力入口边界条件的处理可以描述为从驻点条件到入口条件的非自由化的过渡。

对于不可压流是通过入口边界贝努力方程的应用来完成的。

对于可压流，使用的是理想气体的各向同性流动关系式。

压力入口边界处的不可压流动计算

流动进入压力入口边界时，FLUENT使用边界条件压力，该压力是作为入口平面p_0的总压输入的。

在不可压流动中，入口总压，静压和速度之间有如下关系：

。

通过你在出口分配的速度大小和流动方向可以计算出速度的各个分量。

入口质量流速以及动量、能量和组分的流量可以作为计算程序在速度入口边界的大纲用来计算流动

对于不可压流，入口平面的速度既可以是常数也可以是温度或者质量分数的函数。

其中质量分数是你输入作为入口条件的值。

在通过压力出口流出的流动，用指定的总压作为静压来使用。

对于不可压流动来说，总温和静温相等。

压力入口边界的可压流动计算

对于可压流，应用理想气体的各向同性关系可以在压力入口将总压，静压和速度联系起来。

在入口处输入总压，在临近流体单元中输入静压，有关系式如下：

其中马赫数定义为：

马赫数的定义就不详述了。

需要注意的是上面的方程中出现了操作压力p_op这是因为边界条件的输入是和操作压力有关的压力。

给定p_0^'和p_s^'上面的方程就可以用于计算入口平面流体的速度范围。

入口处的各个速度分量用方向矢量来计算。

对于可压流，入口平面的密度由理想气体定律来计算：

。

R由压力入口边界条件定义的组分质量百分比来计算。

入口静温和总温的关系由下式计算：

。

速度入口边界条件

速度入口边界条件用于定义流动速度以及流动入口的流动属性相关标量。

在这个边界条件中，流动总的（驻点）的属性不是固定的，所以无论什么时候提供流动速度描述，它们都会增加。

这一边界条件适用于不可压流，如果用于可压流它会导致非物理结果，这是因为它允许驻点条件浮动。

你也应该小心不要让速度入口靠近固体妨碍物，因为这会导致流动入口驻点属性具有太高的非一致性。

对于特定的例子，FLUENT可能会使用速度入口在流动出口处定义流动速度（在这种情况下不使用标量输入）。

在这种情况下，必须保证区域内的所有流动性。

对于流动的概述请