對Fluent邊界條件進(jìn)行簡易分類

01

前言

在Fluent分析中邊界條件的設(shè)定是非常重要的，可對Fluent中的邊界條件進(jìn)行簡易分類為進(jìn)出口邊界條件、壁面條件、內(nèi)部單元邊界、內(nèi)部表面邊界等；

主要內(nèi)容如下：

▉ 邊界條件內(nèi)容

▉ 邊界條件作用

▉ 邊界條件設(shè)定基本原則

▉ 進(jìn)出口邊界條件解析

▉ 壁面條件

▉ 內(nèi)部單元邊界

▉ 內(nèi)部表面邊界

▉ Interface、interior、internal

02

邊界條件解析

▉ 邊界條件內(nèi)容

□ 邊界條件的內(nèi)容主要有_

?定義邊界條件的位置信息(如進(jìn)口、固體壁面、對稱位置面)；

?確定邊界上的各種參數(shù)信息；

?邊界條件的具體內(nèi)容和計(jì)算中采用的物理模型、邊界條件的類型密切相關(guān)；

?邊界條件的設(shè)定會(huì)直接影響求解過程和所得到的結(jié)果；

**▉ **邊界條件作用

□ 邊界條件是數(shù)學(xué)模型中必需的部分，指引并限制流體的運(yùn)動(dòng)；

?區(qū)域是單元(流體或固體)和單元邊界(流場邊界或內(nèi)部面)的集合；

?內(nèi)部面可以從單元邊界自動(dòng)產(chǎn)生，比如固體域和流體域連接處的wall會(huì)自動(dòng)生成wall_shadow；

▉ 邊界條件設(shè)定基本原則

?設(shè)定在進(jìn)出口時(shí)可以有利于收斂；

?在垂直于邊界上不應(yīng)該存在很大的參數(shù)梯度；

?減小邊界附近的網(wǎng)格扭曲度，否則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算早起誤差過大；

****▉ 進(jìn)出口邊界條件

進(jìn)出口邊界條件包括：壓力進(jìn)口(pressure-inlet)、速度進(jìn)口(velocity-inlet)、質(zhì)量進(jìn)口(mass-flow-inlet)、進(jìn)風(fēng)口(inlet-vent)、進(jìn)氣扇(intake-fan)、壓力出口(pressure-outlet)、壓力遠(yuǎn)場(pressure-far-field)、出風(fēng)口(outlet-vent)、排氣扇(exhaust-fan)，自由出口(outflow)

◆ 壓力進(jìn)口(pressure-inlet)

用來定義流動(dòng)入口邊界的總壓和其它標(biāo)量，對計(jì)算可壓和不可壓問題都適合。壓力進(jìn)口邊界條件通常用于不知道進(jìn)口流率或流動(dòng)速度時(shí)候的流動(dòng)，這類流動(dòng)在工程中常見，如浮力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)問題。壓力進(jìn)口條件還可以用于處理外部或者非受限流動(dòng)的自由邊界。對于壓力入口邊界條件你需要輸入如下信息：

l 總壓:Total (stagnation) pressure；

l 總溫:Total (stagnation) temperature；

l 流動(dòng)方向:Flow direction；

l 靜壓:Static pressure；

l 湍流參數(shù)(用于湍流計(jì)算):Turbulence parameters (for turbulent calculations)

l 輻射參數(shù)(考慮輻射):Radiation parameters (for calculations using the P-1 model, the DTRM, the DOmodel, or the surface-to-surface model)；

l 化學(xué)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(考慮化學(xué)組分):Chemical species mass fractions (for species calculations)；

l 混合分?jǐn)?shù)及其方差(用PDF燃燒模型):；Mixture fraction and variance (for non-premixed or partially premixed combustion calculations)；

◆ 速度進(jìn)口(velocity-inlet)

用于定義流動(dòng)入口邊界的速度和計(jì)算需要的所有標(biāo)量。該邊界條件適用于不可壓縮流動(dòng)問題，對可壓縮問題不適用，否則該入口邊界條件會(huì)使入口處的總溫或總壓有一定的波動(dòng)。

邊界條件設(shè)置的主要輸入量如圖示，包括：

l 速度大小，方向或各速度分量:Velocity magnitude and direction or velocity components；

l 周向速度(軸對稱有旋流動(dòng)):Swirl velocity (for 2D axisymmetric problems with swirl)；

l 靜溫(考慮能量):Temperature (for energy calculations)；

l 出流表壓(對于耦合求解器):Outflow gauge pressure (for calculations with the coupled solvers)；

l 湍流參數(shù)(考慮湍流計(jì)算):Turbulence parameters (for turbulent calculations)；

◆ 質(zhì)量進(jìn)口(mass-flow-inlet）)

用于給定入口邊界上的質(zhì)量流量。主要用于可壓縮流動(dòng)問題，對于不可壓縮問題，由于密度是常數(shù)，可以使用速度入口條件。

質(zhì)量進(jìn)口條件包括兩種：質(zhì)量流率和質(zhì)量通量。

質(zhì)量流率是單位時(shí)間內(nèi)通過進(jìn)口總面積的質(zhì)量。

質(zhì)量通量是單位時(shí)間單位面積內(nèi)通過進(jìn)口的質(zhì)量。

給定進(jìn)口邊界上的質(zhì)量流量，此時(shí)局部進(jìn)口總壓是變化的，用以調(diào)節(jié)速度，從而達(dá)到給定的流量，這使得計(jì)算的收斂速度變慢。所以，如果壓力邊界條件和質(zhì)量邊界條件都適合流動(dòng)時(shí)，優(yōu)先選擇用壓力進(jìn)口條件。對于不可壓速流動(dòng)，由于密度是常數(shù)，可以選擇用速度進(jìn)口邊界條件。

◆ 壓力出口(pressure-outlet)

給定出口的靜壓(表壓)，在回流中還包括其它的標(biāo)量。當(dāng)出現(xiàn)回流時(shí)，使用壓力出口邊界條件來代替質(zhì)量出口條件常常有更好的收斂速度。

出口回流條件需要給定：出口靜壓，回流總溫(如果有能量方程)，湍流參數(shù)(湍流計(jì)算)，回流組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(有限速率模型模擬組分輸運(yùn))，混合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其方差(PDF計(jì)算燃燒)。如果有回流出現(xiàn)，給的表壓將視為總壓，所以不必給出回流壓力?；亓髁鲃?dòng)方向與出口邊界垂直。

該邊界條件只能用于模擬亞音速流動(dòng)，如果當(dāng)?shù)厮俣纫呀?jīng)超過音速，則該壓力在計(jì)算過程中就不采用了。

◆ 壓力遠(yuǎn)場(pressure-far-field)

用于模擬無窮遠(yuǎn)處的自由可壓縮流動(dòng)，該流動(dòng)的自由流馬赫數(shù)以及靜態(tài)條件已知。

該邊界條件只適合用理想氣體定律計(jì)算密度的可壓縮流問題，而不能用于其它問題。需要給定邊界靜壓和溫度及馬赫數(shù)?？梢允莵喴羲伲缫羲倩蛘叱羲?。并且需要給定流動(dòng)方向，如果有需要還必須給定湍流量等參數(shù)；

◆ 自由出口(outflow)

如果我們在解決流動(dòng)問題之前，不能知道出口流速和壓力的詳細(xì)情況，在流動(dòng)出口是完全發(fā)展時(shí)，這時(shí)候可以選擇該邊界條件，因?yàn)镺utflow邊界條件假定除了壓力之外的所有流動(dòng)變量正法向梯度為零。

這類邊界條件的特點(diǎn)是不需要給定出口條件（除非是計(jì)算分離質(zhì)量流，輻射換熱或者包括顆粒稀疏相問題）；

□ 存在下列情況，就不能用該邊界條件：

?包含壓力進(jìn)口(pressure-inlet)條件

?可壓縮流動(dòng)問題

?有密度變化的非穩(wěn)定流動(dòng)問題（即使是不可壓縮流動(dòng)）

?對于最終結(jié)果存在回流的物理問題，使用該邊界條件很難收斂；

◆ 進(jìn)風(fēng)口(inlet-vent)

用于模擬具有指定的損失系數(shù)、流動(dòng)方向以及周圍(入口)環(huán)境總壓和總溫的進(jìn)風(fēng)口。

對于進(jìn)風(fēng)口模型，假定進(jìn)口風(fēng)扇無限薄，通風(fēng)壓降正比于流體動(dòng)壓頭和用戶提供的損失系數(shù)。假定р是流體密度，KL是無量綱損失系數(shù)，則壓降為：

其中：

_是與通風(fēng)方向垂直的速度分量；

_是流動(dòng)方向上的壓降;

◆ 進(jìn)氣扇(intake-fan)

用于模擬外部進(jìn)氣扇，它具有指定的壓降、流動(dòng)方向以及周圍（進(jìn)口）總壓和總溫。

假定進(jìn)口風(fēng)扇無限薄，并且有不連續(xù)的壓力升高，壓力升高量是通過風(fēng)扇速度的函數(shù)。如果是反向流動(dòng)，風(fēng)扇可以看成是通風(fēng)出口，并且損失系數(shù)為1。

壓力階躍可以是常數(shù)，或者是流動(dòng)方向垂直方向上速度分量的函數(shù)形式。

◆ 出風(fēng)口(outlet-vent)

用于模擬出口通風(fēng)情況，并給定一個(gè)損失系數(shù)和環(huán)境（出口）壓力和溫度。

◆ 排氣扇(exhaust-fan)

用于模擬外部排氣扇，給定一個(gè)壓升和環(huán)境壓力。

假定排氣扇無限薄，并且流體通過排氣扇的壓升是流體速度的函數(shù)。

**▉ **壁面邊界條件

壁面條件包括：壁面(wall)、對稱(symmetry)、周期(periodic)、軸(axis)；

◆ 壁面(wall)

壁面邊界條件用于限制流體和固體區(qū)域。

在粘性流動(dòng)中，壁面處默認(rèn)為無滑移，但是你也可以根據(jù)壁面邊界區(qū)域的平動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)來指定切向速度分量，或者通過指定剪切來模擬滑移壁面。在當(dāng)?shù)亓鲌龅脑敿?xì)資料基礎(chǔ)上可以計(jì)算出流體和壁面之間的剪應(yīng)力和熱傳導(dǎo)。

◆ 對稱邊界條件(symmetry)、軸(axis)

應(yīng)用于計(jì)算的物理區(qū)域，或者流動(dòng)及傳熱場是對稱的情況。

在對稱軸或者對稱平面上，沒有對流通量，因此垂直于對稱軸或者對稱平面的速度分量為零。在對稱軸或者對稱平面上，沒有擴(kuò)散通量，即垂直方向上的梯度為零。因此在對稱邊界上，垂直邊界的速度分量為零，任何量的梯度為零。

計(jì)算中不需要給定任何參數(shù)，只需要確定合理的對稱位置。該邊界條件可以用于粘性流中運(yùn)動(dòng)邊界處理。

◆ 周期(periodic)

計(jì)算域?yàn)橹芷谛赃\(yùn)動(dòng)區(qū)域；

可以減小計(jì)算量；

□ 周期性邊界分為周期性旋轉(zhuǎn)和周期性平動(dòng)兩種_

▊周期性旋轉(zhuǎn)周期面上的；

▊周期性平動(dòng)在周期面上允許有限的，模擬充分發(fā)展流；

****▉ ****內(nèi)部單元邊界

內(nèi)部單元邊界包括：流體(Fluid)、固體(Solid)；

**▉ **內(nèi)部表面邊界

內(nèi)部表面邊界包括：風(fēng)扇(fan)、散熱器(radiator)、多孔跳躍(porous-jump)、壁面(wall)、內(nèi)部界面(interface/interior)、重疊邊界(overset)；

◆ 風(fēng)扇(fan)

風(fēng)扇邊界為內(nèi)部雙面集總邊界(即邊界兩側(cè)為同一計(jì)算域)，需要定義風(fēng)扇性能參數(shù)；

◆ 多孔跳躍(porous-jump)

多孔階躍邊界，通常需要設(shè)置多孔介質(zhì)的厚度和壓力階躍系數(shù)；

◆ 散熱器(radiator)

需要定義熱損失系數(shù)和傳熱效率；

□ Interface、interior、internal

?Interface：主要用于處理多區(qū)域計(jì)算模型中不同區(qū)域界面間的數(shù)據(jù)傳遞；CFD計(jì)算中interface通常是成對出現(xiàn)的，計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)則通過interface進(jìn)行插值傳遞；使用interface并不要求邊界上的點(diǎn)一一對應(yīng)；之前分享的案例中就有用到interface的，有需要可自行查閱；是邊界類型的一種，是計(jì)算域的邊界，屬于單面邊界；

?Interior：值內(nèi)部面，通常出現(xiàn)在單計(jì)算域內(nèi)，屬于雙面邊界；CFD計(jì)算中流體可以自由通過該邊界，可以理解為不存在，多用于CFD后處理中；

?Internal：與Interior同屬于內(nèi)部邊界，不同之處在于，當(dāng)清除網(wǎng)格時(shí)，所有的Interior區(qū)域會(huì)被刪除，但是Internal區(qū)域會(huì)被保留；在最終網(wǎng)格傳遞至求解器后，所有的Internal區(qū)域會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為Interior類型；

【注意】

□ 有時(shí)也將邊界條件分為外部邊界、內(nèi)部邊界、域_

?外部邊界:也稱單面邊界，位于模型的幾何邊界位置，僅一側(cè)存在體單元；

?內(nèi)部邊界:也稱雙面邊界，由內(nèi)部面轉(zhuǎn)化而來，即邊界兩側(cè)均存在體單元；

?域:包括Fluid、Solid、Porous media；

?interface通常是成對出現(xiàn)的，一側(cè)存在體單元與其連接，另一側(cè)也有體單元，但是與其節(jié)點(diǎn)并不統(tǒng)一(不連接)，所以interface屬于單面邊界；