Fluent第7章邊條件

1、邊界條件的設(shè)定邊界條件邊界條件why and whatu為了獲得物理問題（各種微分方程）的為了獲得物理問題（各種微分方程）的唯一解唯一解，必須對計算域邊界設(shè)定各種參數(shù)值必須對計算域邊界設(shè)定各種參數(shù)值.n如各種通量（熱通量、質(zhì)量通量）、運(yùn)動狀況等如各種通量（熱通量、質(zhì)量通量）、運(yùn)動狀況等.u邊界條件內(nèi)容邊界條件內(nèi)容:n定義邊界條件的定義邊界條件的位置信息位置信息 (如進(jìn)口、固體壁面、對稱位如進(jìn)口、固體壁面、對稱位置面置面)n確定邊界上的各種確定邊界上的各種參數(shù)信息參數(shù)信息u邊界條件的具體內(nèi)容和計算中采用的物理模型、邊界條件的具體內(nèi)容和計算中采用的物理模型、邊界條件的類型密切相關(guān)邊界條件的類型密切

2、相關(guān).u必須仔細(xì)確定邊界條件的參數(shù)必須仔細(xì)確定邊界條件的參數(shù)n直接影響了求解過程和所得到的結(jié)果直接影響了求解過程和所得到的結(jié)果.邊界條件邊界條件u邊界條件的作用邊界條件的作用u設(shè)置邊界條件設(shè)置邊界條件n流場的入口和出口流場的入口和出口n壁面、重復(fù)周期邊界條件壁面、重復(fù)周期邊界條件n內(nèi)部單元區(qū)域內(nèi)部單元區(qū)域n內(nèi)部單元邊界內(nèi)部單元邊界邊界條件的作用邊界條件的作用u邊界條件邊界條件n邊界條件指引并限制流體運(yùn)動。邊界條件指引并限制流體運(yùn)動。n邊界條件是數(shù)學(xué)模型中必需的部分。邊界條件是數(shù)學(xué)模型中必需的部分。u指定進(jìn)入計算區(qū)域的通量：指定進(jìn)入計算區(qū)域的通量：l質(zhì)量質(zhì)量l動量動量l能量能量u邊界條件被分配到

3、區(qū)域內(nèi)邊界條件被分配到區(qū)域內(nèi)n區(qū)域是單元（流體或固體）或單元邊界（流場邊界或區(qū)域是單元（流體或固體）或單元邊界（流場邊界或內(nèi)部面）的集合。內(nèi)部面）的集合。n內(nèi)部面主要用于后處理。內(nèi)部面主要用于后處理。n內(nèi)部面與區(qū)域相聯(lián)系：內(nèi)部面與區(qū)域相聯(lián)系：l內(nèi)部的面可以從單元邊界自動產(chǎn)生。內(nèi)部的面可以從單元邊界自動產(chǎn)生。n內(nèi)部面只與流體區(qū)域有個而與固體區(qū)域無關(guān)。內(nèi)部面只與流體區(qū)域有個而與固體區(qū)域無關(guān)。l湍流中的湍流中的k.e. l湍流中的耗散率湍流中的耗散率l組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)outwallsin邊界的種類邊界的種類uaxis 軸邊界軸邊界uexhaust-fan 排氣扇面排氣扇面uinlet-ven

4、t 排氣口排氣口uintake-fan 入口扇面入口扇面uinterface 界面界面umass-flow-inlet 質(zhì)量入口質(zhì)量入口uoutflow 流出流出uoutlet-vent 出口出口upressure-fat-field 壓力遠(yuǎn)場壓力遠(yuǎn)場upressure-inlet 壓力入口壓力入口upressure-outlet 壓力出口壓力出口usymmetry 對稱對稱uvelocity-inlet 速度入口速度入口uwall 壁面壁面基本的邊界類型基本的邊界類型u外部面外部面n一般一般: pressure inlet, pressure outletn不可壓不可壓: velocity

5、inlet, outflown可壓可壓: mass flow inlet, pressure far-fieldn特殊特殊: inlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fann其它其它: wall, symmetry, periodic, axisu單元、區(qū)域單元、區(qū)域nfluid and solidu相交面相交面nfan, interior, porous jump, radiator, wallsinletoutletwallinteriororifice_plate and orifice_plate-shadow邊界條件定義邊界條件定義u

6、速度入口速度入口 流動入口邊界的速度和標(biāo)量。流動入口邊界的速度和標(biāo)量。u壓力入口壓力入口 流動入口邊界的總壓和其它標(biāo)量。流動入口邊界的總壓和其它標(biāo)量。u質(zhì)量流動入口質(zhì)量流動入口 可壓流規(guī)定入口的質(zhì)量流速?？蓧毫饕?guī)定入口的質(zhì)量流速。 在不可壓流中不必指定入口的質(zhì)量流，因為當(dāng)密度是常在不可壓流中不必指定入口的質(zhì)量流，因為當(dāng)密度是常數(shù)時，速度入口邊界條件就確定了質(zhì)量流條件。數(shù)時，速度入口邊界條件就確定了質(zhì)量流條件。u壓力出口壓力出口 流動出口的靜壓（在回流中還包括流動出口的靜壓（在回流中還包括 其它的標(biāo)量）。其它的標(biāo)量）。 當(dāng)出現(xiàn)回流時，使用壓力出口邊界條件來代替質(zhì)量出當(dāng)出現(xiàn)回流時，使用壓力出口邊界

7、條件來代替質(zhì)量出 口口條件常常有更好的收斂速度。條件常常有更好的收斂速度。u壓力遠(yuǎn)場壓力遠(yuǎn)場 模擬無窮遠(yuǎn)處的自由可壓流動，該流模擬無窮遠(yuǎn)處的自由可壓流動，該流 動的自由流馬赫數(shù)以及靜態(tài)條件已經(jīng)動的自由流馬赫數(shù)以及靜態(tài)條件已經(jīng) 指定了。這一邊界類型只用于可壓指定了。這一邊界類型只用于可壓 流。流。邊界條件定義邊界條件定義u質(zhì)量出口質(zhì)量出口 假定除了壓力之外的所有流動變量正法假定除了壓力之外的所有流動變量正法 向梯度為零。模擬的流動出口的流速和向梯度為零。模擬的流動出口的流速和 壓力未知。適合于出口完全發(fā)展。不適壓力未知。適合于出口完全發(fā)展。不適 合于可壓流計算。合于可壓流計算。u進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)口 模

8、擬具有指定的損失系數(shù)，流動方向以模擬具有指定的損失系數(shù)，流動方向以 及周圍（入口）環(huán)境總壓和總溫的進(jìn)風(fēng)口。及周圍（入口）環(huán)境總壓和總溫的進(jìn)風(fēng)口。u進(jìn)氣扇邊界進(jìn)氣扇邊界 模擬外部進(jìn)氣扇，它具有指定的壓力跳躍，模擬外部進(jìn)氣扇，它具有指定的壓力跳躍， 流動方向以及周圍（進(jìn)口）總壓和總溫。流動方向以及周圍（進(jìn)口）總壓和總溫。u通風(fēng)口通風(fēng)口 模擬通風(fēng)口，它具有指定的損失系數(shù)以及周模擬通風(fēng)口，它具有指定的損失系數(shù)以及周 圍環(huán)境（排放處）的靜壓和靜溫。圍環(huán)境（排放處）的靜壓和靜溫。u排氣扇邊界排氣扇邊界 模擬外部排氣扇，它具有指定的壓力跳躍以模擬外部排氣扇，它具有指定的壓力跳躍以 及周圍環(huán)境（排放處）的靜壓

9、。及周圍環(huán)境（排放處）的靜壓?；玖鞒袒玖鞒蘥ambitboundary typefluid typefluentsolverselect boundaryset parameters邊界條件的定義邊界條件的定義solvern選擇求解器選擇求解器n正對求解器選擇不同的正對求解器選擇不同的邊界條件定義器邊界條件定義器邊界條件的定義邊界條件的定義specify typen選擇邊界對應(yīng)的幾何體選擇邊界對應(yīng)的幾何體l默認(rèn)值：面默認(rèn)值：面n選擇邊界的類型選擇邊界的類型.l鼠標(biāo)直接選取鼠標(biāo)直接選取.n對定義好的邊界可以再對定義好的邊界可以再操作操作l更改、刪除更改、刪除.邊界條件的定義邊界條件的定義sp

10、ecify typen選擇邊界對應(yīng)的幾何體選擇邊界對應(yīng)的幾何體l默認(rèn)值：體默認(rèn)值：體n選擇邊界的類型選擇邊界的類型.l鼠標(biāo)直接選取鼠標(biāo)直接選取.n對定義好的邊界可以再對定義好的邊界可以再操作操作l更改、刪除更改、刪除.邊界條件的定義邊界條件的定義definen在在fluent中定義邊界條件的具體值中定義邊界條件的具體值l各種邊界條件的參數(shù)各種邊界條件的參數(shù)l可以重新定義邊界類型可以重新定義邊界類型重新定義邊界條件重新定義邊界條件u一般邊界條件在預(yù)處理軟件中定義一般邊界條件在預(yù)處理軟件中定義.u可以在可以在fluent中更改中更改:define boundary conditions.n選擇要更

11、改的幾何體選擇要更改的幾何體n從從type中選擇新的類型中選擇新的類型.給定邊界條件參數(shù)給定邊界條件參數(shù)u在在 bc panels中直接賦值中直接賦值.n給選定的邊界設(shè)定給選定的邊界設(shè)定:l從從zone菜單中選擇邊界菜單中選擇邊界.l點(diǎn)擊點(diǎn)擊set按鈕按鈕n利用利用copy按鈕可以復(fù)制邊界條件按鈕可以復(fù)制邊界條件.u邊界條件的內(nèi)容可以存盤，邊界條件的內(nèi)容可以存盤， 也可以讀入也可以讀入.nfile write-bc and file readu利用利用 udfs and profiles可以可以 定義復(fù)雜的邊界條件定義復(fù)雜的邊界條件流場的入口和出口流場的入口和出口u對計算區(qū)域的流場入口和出口可

12、以選擇設(shè)置多對計算區(qū)域的流場入口和出口可以選擇設(shè)置多種邊界條件。種邊界條件。u一下列出流場入口和出口可以使用的邊界條件：一下列出流場入口和出口可以使用的邊界條件：n常用邊界條件常用邊界條件lpressure inletlpressure outletn不可壓流不可壓流lvelocity inletloutflown可壓流可壓流lmass flow inletlpressure far-fieldn特殊情況特殊情況linlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fanvelocity inletu定義類型定義類型:nmagnitude, normal

13、to boundaryncomponentsnmagnitude and directionu默認(rèn)值為均勻流動默認(rèn)值為均勻流動u適用于適用于 incompressible flows.nstatic pressure 相應(yīng)分布相應(yīng)分布.ntotal pressure 同樣同樣n用于用于 compressible flows 將有可能導(dǎo)致非物理解將有可能導(dǎo)致非物理解.u速度設(shè)定為負(fù)值時，可以用來表示出口速度設(shè)定為負(fù)值時，可以用來表示出口.n但是必須要保證流量平衡但是必須要保證流量平衡.壓力預(yù)處理壓力預(yù)處理u絕對壓力是相對于真空而言的。絕對壓力是相對于真空而言的。n絕對壓力可以用操作壓力和表壓來絕

14、對壓力可以用操作壓力和表壓來 表示。表示。u靜壓是熱力學(xué)壓力。靜壓是熱力學(xué)壓力。n用絕對壓力和表壓的形式表示。用絕對壓力和表壓的形式表示。u邊界條件要求用表壓形式輸入。邊界條件要求用表壓形式輸入。operatinggaugeabsolutepppgauge pressureoperating pressurepressure leveloperating pressureabsolute pressurevacuum壓力公式壓力公式u總壓（滯止壓力）用下面公式定義：總壓（滯止壓力）用下面公式定義：n1/2 v2為動壓。為動壓。u由理想氣體定律密度由下面公式計算：由理想氣體定律密度由下面公式計算

15、：n不可壓流：不可壓流：n可壓流：可壓流：ptotal = pstatic + 1/2 v2prtoperatingrtpabsolute設(shè)置操作壓力設(shè)置操作壓力（ operating pressure）u對可壓流：對可壓流：n將設(shè)置操作壓力（將設(shè)置操作壓力（ operating pressure）設(shè)為設(shè)為0。n將表壓作為絕對壓力處理。將表壓作為絕對壓力處理。u對不可壓流，密度為常值時，操作壓力對不可壓流，密度為常值時，操作壓力（ operating pressure）不起作用。不起作用。u對不可壓流，使用理想氣體定律計算密度：對不可壓流，使用理想氣體定律計算密度：n在菜單在菜單define

16、materials中選擇中選擇incompressible-ideal-gas 。n將操作壓力（將操作壓力（ operating pressure）設(shè)為問題中壓力設(shè)為問題中壓力的平均值。的平均值。pressure inlet (1)u參數(shù)確定參數(shù)確定:ntotal gauge pressurel驅(qū)使流體運(yùn)動的能量驅(qū)使流體運(yùn)動的能量.nstatic gauge pressurel超音速流動時靜壓超音速流動時靜壓; l亞音速時忽略亞音速時忽略l從該邊界初始化時有用從該邊界初始化時有用ntotal temperaturel對于不可壓流作為靜溫對于不可壓流作為靜溫.ninlet flow direct

17、ion21(1)2totalstatickttm2/(1),1(1)2k ktotal absstaticabskppm221vppstatictotalincompressible flows:compressible flows:pressure inlet (2)u注意的是注意的是 gauge pressure 必須給定必須給定.n noperating pressure 定義定義: define operating conditionsu同時適用同時適用 compressible 和和 incompressible flows.nfluent 計算時采用計算時采用 static pre

18、ssure and velocity n通過壓力面的通量由內(nèi)部條件和流動方向決定通過壓力面的通量由內(nèi)部條件和流動方向決定. operatinggaugeabsolutepppmass flow inletu參數(shù)確定參數(shù)確定:n(a) mass flow rate or (b) mass fluxl(a) 給定恒定的流量給定恒定的流量l(b) 利用利用 profiles/udf定義定義nstatic gauge pressurel超音速有效超音速有效l該邊界初始化有效該邊界初始化有效.ntotal temperaturel對于不可壓流動為靜溫對于不可壓流動為靜溫.ninlet flow dire

19、ctionu一般用于一般用于 compressible; 也可用于也可用于 incompressible flows.ntotal pressure 由輸入變量求得由輸入變量求得.n和和 pressure inlet相比相比.收斂性差收斂性差pressure outletu給定給定 static gauge pressuren作為出口處的環(huán)境壓力作為出口處的環(huán)境壓力.n可以定義徑向的壓力分布可以定義徑向的壓力分布.ubackflown收斂過程出現(xiàn)收斂過程出現(xiàn)n最終結(jié)果如此最終結(jié)果如此.n方向是垂直于邊界方向是垂直于邊界.u適用于適用于 compressible 和和 incompressibl

20、e flowsn在超音速條件下，忽略所給定的壓在超音速條件下，忽略所給定的壓力值力值.u可以被用來模擬自由流可以被用來模擬自由流.outflowu不需指定任何速度和壓力信息不需指定任何速度和壓力信息.n由內(nèi)部區(qū)域來傳遞信息由內(nèi)部區(qū)域來傳遞信息.n邊界上保持流量平衡邊界上保持流量平衡.u在在outflow面上所有參數(shù)梯度為零面上所有參數(shù)梯度為零n近似于充分發(fā)展流近似于充分發(fā)展流u適用于適用于 incompressible flows.n不能和不能和 pressure inlet合用合用; 入口只能是入口只能是 velocity inlet.n不能用來模擬密度隨時間變化的問題不能用來模擬密度隨時間

21、變化的問題.u當(dāng)存在回流時，很難收斂當(dāng)存在回流時，很難收斂n不能模擬最終結(jié)果存在回流的物理問題不能模擬最終結(jié)果存在回流的物理問題.其它的邊界條件其它的邊界條件upressure far fieldn模擬模擬 ideal gas law下的流動下的流動.n通常給定通常給定 free-stream mach number 和靜態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù) .uexhaust fan/outlet ventn給定壓力損失系數(shù)（壓力降）以及環(huán)境參數(shù)給定壓力損失系數(shù)（壓力降）以及環(huán)境參數(shù)uinlet vent/intake fann模擬風(fēng)扇運(yùn)動模擬風(fēng)扇運(yùn)動.n給定壓力損失系數(shù)（壓力降）以及環(huán)境參數(shù)給定壓力損失系數(shù)（

22、壓力降）以及環(huán)境參數(shù)確定湍流參數(shù)確定湍流參數(shù)u在入口（在入口（ inlet ）、）、出口（出口（outlet)、外場外場(far-field)有湍流時要求定義以下參數(shù)：有湍流時要求定義以下參數(shù)：l湍流動能湍流動能 k ufluent中有四種方法指定湍流參數(shù)：中有四種方法指定湍流參數(shù)：n顯示給出顯示給出 k、 n給出湍流強(qiáng)度和長度尺度給出湍流強(qiáng)度和長度尺度n給出湍流強(qiáng)度和粘性比給出湍流強(qiáng)度和粘性比n給出流體強(qiáng)度和水利直徑給出流體強(qiáng)度和水利直徑u湍流強(qiáng)度和長度尺度取決于上游流場情況，例如：湍流強(qiáng)度和長度尺度取決于上游流場情況，例如：n渦輪的排氣渦輪的排氣n intensity = 20 %length scale = 1 - 10 % of blade spanl湍流耗散率 n通過孔板和篩孔的下游流場通過孔板和篩孔的下游流場n intensity = 10 % length scale = 孔篩的尺度孔篩的尺度n充分發(fā)展的管流充分發(fā)展的管流n intensity = 5 % length scale = 水利直徑水利直徑確定湍流參數(shù)確定湍流參數(shù)wall boun