湍流的邊界條件

1、在入口、出口或遠(yuǎn)場(chǎng)邊界流入流域的流動(dòng)，F(xiàn)LUENT需要指定輸運(yùn)標(biāo)量的值。本節(jié)描述了對(duì)于特定模型需要哪些量， 并且該如何指定它們。也為確定流入邊界值最為合適的方法 提供了指導(dǎo)方針。使用輪廓指定湍流參量在入口處要準(zhǔn)確的描述邊界層和完全發(fā)展的湍流流動(dòng)，你應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式創(chuàng)建邊界輪廓文件來完美的設(shè)定湍流量。如果你有輪廓的分析描述而不是數(shù)據(jù)點(diǎn)，你也可以用這個(gè)分析描述來創(chuàng)建邊界輪廓文件，或者創(chuàng)建用戶自定義函數(shù)來提供入口邊界的信息。一旦你創(chuàng)建了輪廓函數(shù)，你就可以使用如下的方法：Spalart-Allmaras模型：在湍流指定方法下拉菜單中指定湍流粘性比，并在在湍流粘性比之后的下拉菜單中選擇適當(dāng)?shù)妮?/p>

2、廓名。通過將m_t/m和密度與分子粘性的適當(dāng)結(jié)合，F(xiàn)LUENT為修改后的湍流粘性計(jì)算邊界值。k-e模型：在湍流指定方法下拉菜單中選擇K和Epsilon并在湍動(dòng)能(Turb. KineticEnergy)和湍流擴(kuò)散速度(Turb. Dissipation Rate )之后的下拉菜單中選擇適當(dāng)?shù)妮喞?。雷諾應(yīng)力模型：在湍流指定方法下拉菜單中選擇K和Epsilon并在湍動(dòng)能(Turb. KineticEnergy)和湍流擴(kuò)散速度(Turb. Dissipation Rate )之后的下拉菜單中選擇適當(dāng)?shù)妮喞?在湍流指定方法下拉菜單中選擇雷諾應(yīng)力部分，并在每一個(gè)單獨(dú)的雷諾應(yīng)力部分之后的下拉菜單中選

3、擇適當(dāng)?shù)妮喞Ｍ牧髁康慕y(tǒng)一說明在某些情況下流動(dòng)流入開始時(shí)，將邊界處的所有湍流量指定為統(tǒng)一值是適當(dāng)?shù)?。比如說,在進(jìn)入管道的流體，遠(yuǎn)場(chǎng)邊界，甚至完全發(fā)展的管流中，湍流量的精確輪廓是未知的。在大多數(shù)湍流流動(dòng)中，湍流的更高層次產(chǎn)生于邊界層而不是流動(dòng)邊界進(jìn)入流域的地方，因此這就導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果對(duì)流入邊界值相對(duì)來說不敏感。然而必須注意的是要保證邊界值不是非物理邊界。非物理邊界會(huì)導(dǎo)致你的解不準(zhǔn)確或者不收斂。對(duì)于外部流來說這一特點(diǎn)尤其突出，如果自由流的有效粘性系數(shù)具有非物理性的大值，邊界層就會(huì)找不到了。你可以在使用輪廓指定湍流量一節(jié)中描述的湍流指定方法，來輸入同一數(shù)值取代輪廓。你也可以選擇用更為方便的量來指定

4、湍流量，如湍流強(qiáng)度，湍流粘性比，水力直徑以及湍流特征尺度，下面將會(huì)對(duì)這些內(nèi)容作一詳細(xì)敘述。湍流強(qiáng)度I定義為相對(duì)于平均速度 u_avg的脈動(dòng)速度uA'的均方根。小于或等于1%的湍流強(qiáng)度通常被認(rèn)為低強(qiáng)度湍流，大于10%被認(rèn)為是高強(qiáng)度湍流。從外界，測(cè)量數(shù)據(jù)的入口邊界，你可以很好的估計(jì)湍流強(qiáng)度。例如：如果你模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，自 由流的湍流強(qiáng)度通?？梢詮娘L(fēng)洞指標(biāo)中得到。在現(xiàn)代低湍流風(fēng)洞中自由流湍流強(qiáng)度通常低到0.05%。.對(duì)于內(nèi)部流動(dòng)，入口的湍流強(qiáng)度完全依賴于上游流動(dòng)的歷史，如果上游流動(dòng)沒有完全發(fā)展或者沒有被擾動(dòng)，你就可以使用低湍流強(qiáng)度。如果流動(dòng)完全發(fā)展，湍流強(qiáng)度可能就達(dá)到了 百分之幾。完全發(fā)展的管

5、流的核心的湍流強(qiáng)度可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：I 三三 0.16 ReDH 8ivg例如，在雷諾數(shù)為 50000是湍流強(qiáng)度為4%湍流尺度l是和攜帶湍流能量的大渦的尺度有關(guān)的物理量。在完全發(fā)展的管流中，l被管道的尺寸所限制，因?yàn)榇鬁u不能大于管道的尺寸。L和管的物理尺寸之間的計(jì)算關(guān)系如下： l =0.07L 其中L為管道的相關(guān)尺寸。因子0.07是基于完全發(fā)展湍流流動(dòng)混合長(zhǎng)度的最大值的，對(duì)于非圓形截面的管道，你可以用水力學(xué)直徑取代L。如果湍流的產(chǎn)生是由于管道中的障礙物等特征，你最好用該特征長(zhǎng)度作為湍流長(zhǎng)度L而不是用管道尺寸。注意：公式l =0.07L并不是適用于所有的情況。它只是在大多數(shù)情況下得很好的

6、近似。 對(duì)于特定流動(dòng)，選擇 L和l的原則如下：對(duì)于完全發(fā)展的內(nèi)部流動(dòng)，選擇強(qiáng)度和水力學(xué)直徑指定方法，并在水力學(xué)直徑流場(chǎng)中指定 L=D_H 。對(duì)于旋轉(zhuǎn)葉片的下游流動(dòng)，穿孔圓盤等，選擇強(qiáng)度和水力學(xué)直徑指定方法，并在水力學(xué)直徑流場(chǎng)中指定流動(dòng)的特征長(zhǎng)度為L(zhǎng)對(duì)于壁面限制的流動(dòng)， 入口流動(dòng)包含了湍流邊界層。選擇湍流強(qiáng)度和長(zhǎng)度尺度方法并使用邊界層厚度d_99來計(jì)算湍流長(zhǎng)度尺度l,在湍流長(zhǎng)度尺度流場(chǎng)中輸入l=0.4 d_99這個(gè)值湍流粘性比m_t/m直接與湍流雷t若數(shù)成比例（Re_t ?kA2/（e n）。Re_t在高湍流數(shù)的邊界 層，剪切層和完全發(fā)展的管流中是較大的（100到1000）。然而，在大多數(shù)外流的

7、自由流邊界層中m_t/m相當(dāng)?shù)男?。湍流參?shù)的典型設(shè)定為1 < m_t/m <10。要根據(jù)湍流粘性比來指定量，你可以選擇湍流粘性比（對(duì)于 Spalart-Allmaras模型）或 者強(qiáng)度和粘性比（對(duì)于 k-e模型或者RSM）。推導(dǎo)湍流量的關(guān)系式要獲得更方便的湍流量的輸運(yùn)值，如：I, L,或者m_t/m ,你必須求助于經(jīng)驗(yàn)公式，下面是FLUENT中常用的幾個(gè)有用的關(guān)系式。要獲得修改的湍流粘性，它和湍流強(qiáng)度I長(zhǎng)度尺度l有如下關(guān)系：在Spalart-Allmaras模型中，如果你要選擇湍流強(qiáng)度和水力學(xué)直徑來計(jì)算l可以從前面的公式中獲得。湍動(dòng)能k和湍流強(qiáng)度I之間的關(guān)系為：k =|（UavgI

8、 2其中u_avg為平均流動(dòng)速度除了為k和e指定具體的值之外，無論你是使用湍流強(qiáng)度和水力學(xué)直徑，強(qiáng)度和長(zhǎng)度尺度或者強(qiáng)度粘性比方法，你都要使用上述公式。如果你知道湍流長(zhǎng)度尺度l你可以使用下面的關(guān)系式：3其中C喝湍流模型中指定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（近似為0.09）, l的公式在前面已經(jīng)討論了。除了為k和e制定具體的值之外，無論你是使用湍流強(qiáng)度和水力學(xué)直徑還是強(qiáng)度和長(zhǎng)度 尺度，你都要使用上述公式。E的值也可以用下式計(jì)算，它與湍流粘性比m_t/m以及k有關(guān)：k2；=Cik-N其中Cp是湍流模型中指定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（近似為0.09）。除了為k和e制定具體的值之外，無論你是使用湍流強(qiáng)度和水力學(xué)直徑還是強(qiáng)度和長(zhǎng)度 尺度，

9、你都要使用上述公式。如果你是在模擬風(fēng)洞條件，在風(fēng)洞中模型被安裝在網(wǎng)格和 /或金屬網(wǎng)格屏下游的測(cè)試段,你可以用下面的公式：其中，Ak是你希望的在穿過流場(chǎng)之后k的衰減（比方說k入口彳1的10%）, U*自由流的速度L丈是流域內(nèi)自由流的流向長(zhǎng)度Equation 9是在高雷諾數(shù)各向同性湍流中觀察到的哥率衰減的線性近似。它是基于衰減湍流中k的精確方程U ?k/?x = - e.如果你用這種方法估計(jì) e,你也要用方程7檢查結(jié)果的湍流粘性比m_t/m,以保證它不是太大。雖然這不是FLUENT內(nèi)部使用的方法，但是你可以用它來推導(dǎo)e的常數(shù)自由流值，然后你可以用湍流指定方法下拉菜單中選擇K和Epsilon直接指定

10、。在這種情況下，你需要使用方程3從I來計(jì)算ko當(dāng)使用RSM時(shí)，如果你不在雷諾應(yīng)力指定方法的下拉列表中使用雷諾應(yīng)力選項(xiàng)，明顯的制定入口處的雷諾應(yīng)力值，它們就會(huì)近似的由 保證k的指定值來決定。湍流假定為各向同性,Ui u j 0以及2.u：u：.3（下標(biāo)a不求和）.如果你在雷諾應(yīng)力指定方法下拉列表中選擇K或者湍流強(qiáng)度，F(xiàn)LUENT就會(huì)使用這種方法。對(duì)大渦*II擬（LES）指定入口湍流大渦模擬模型一節(jié)中所描述的LES速度入口中指定的的湍流強(qiáng)度值，被用于隨機(jī)擾動(dòng)入口處速度場(chǎng)的瞬時(shí)速度。 它并不指定被模擬的湍流量。正如大渦模擬模型中介紹的邊界條件中所描述的，通過疊加每個(gè)速度分量的隨機(jī)擾動(dòng)來計(jì)算流動(dòng)入口邊

11、界處的隨機(jī)成分壓力入口邊界條件壓力入口邊界條件用于定義流動(dòng)入口的壓力以及其它標(biāo)量屬性。它即可以適用于可壓流，也可以用于不可壓流。壓力入口邊界條件可用于壓力已知但是流動(dòng)速度和/或速率未知的情況。這一情況可用于很多實(shí)際問題，比如浮力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)。壓力入口邊界條件也可用來定義外部或無約束流的自由邊界。對(duì)于流動(dòng)邊界條件的概述，請(qǐng)參閱流動(dòng)入口和出口一節(jié)。壓力入口邊界條件的輸入綜述對(duì)于壓力入口邊界條件你需要輸入如下信息駐點(diǎn)總壓駐點(diǎn)總溫流動(dòng)方向靜壓湍流參數(shù)（對(duì)于湍流計(jì)算）輻射參數(shù)（對(duì)于使用P-1 模型、 DTRM 模型或者DO 模型的計(jì)算）化學(xué)組分質(zhì)量百分比（對(duì)于組分計(jì)算）混合分?jǐn)?shù)和變化（對(duì)于PDF 燃燒計(jì)算

12、）程序變量（對(duì)于預(yù)混和燃燒計(jì)算）離散相邊界條件（對(duì)于離散相的計(jì)算）次要相的體積分?jǐn)?shù)（對(duì)于多相計(jì)算）所有的值都在壓力入口面板中輸入（Figure 1），該面板是從邊界條件打開的。Figure 1:壓力入口面板壓力輸入和靜壓頭壓力場(chǎng)（p_sN）和壓力輸入（p_sA' or p_0A'）包括靜壓頭r_0 g x。也就是FLUENT 以下式定 義的壓力：Ps = ：?0gxPs或者, IPs,X這一定義允許靜壓頭放進(jìn)體積力項(xiàng)（r - r_0）g中考慮，而且當(dāng)密度一致時(shí)，從壓力計(jì)算中排除了。因此你的壓力輸入不因該考慮靜壓的微分，壓力（pA'_s）的報(bào)告也不會(huì)顯示靜壓的任何影響。有關(guān)浮力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)的內(nèi)容請(qǐng)參閱浮力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)和自然對(duì)流的信息定義總壓和總溫在壓力入口面板中的Gauge Total Pressure field輸入總壓值?？倻貢?huì)在 Total Temperaturefield中設(shè)定。記住，總壓值是在操作條件面板中定義的與操作壓力有關(guān)的的總壓值。不可 壓流體的總壓定義為：對(duì)于可壓流體為:,-1.2'Po = Ps 1 -2-M其中：p_0=總壓p_s =靜壓M =馬赫數(shù)c =比熱比（c_p