第四节、CFD分析基础-边界条件和湍流

outflow condition not obeyed
outflow condition obeyed
outflow condition closely obeyed
模拟多出口条件

应用Outflow 边界条件:



默认条件下，质量流平均分配. 默认条件下流量权重 (FRW) 设为1. 对于不均匀的流动分布:
轴对称条件

主要用于:

中心轴对称网格 3D O-type grid

设定:

不需另外设定参数
AXIS boundary
单元域: 流体

流体域 = 需求解的各单元组合. 流体参数输入.

组份，相.
mass, momentum, energy, etc.

允许设置源项:


定义为层流 可以定义为多孔渗流. 设定旋转周期流动的旋转轴. 定义流域的运动.
u i 0 xi
ui ' ' ui u j x j
流体机械 结构创新设计技术
——边界条件和湍流简介
1、边界条件
概 况

入口和出口边界条件

速度边界

速度分布图表 湍流参数

压力边界和其它

壁面, 对称, 周期 和 轴对称边界 内流域

流体

多孔介质 移动区域

固体

内部面单元
概 况

边界条件:

直接描述边界上的流动情况. 求解数学方程所必须. 如，质量、动量和能量

固体域 = 需求解热传导问题的固体单元组 合.

不需求解流动



对于材料处理，还可设定为流体，但没有 对流发生. 还允许输入固体内的热源. 可以定义固体区域的运动
内面（Internal Face）条件

定义单元面

没有厚度 用于分割不同区域. 旋转机械 多孔渗水. 内部的固壁

用于实现以下物理模型:

定义出口静压.

出口处外部环境的表压.

径向压力平衡选项. 逆向来流:

在求解过程中或部分区域中出现. 假设方向垂直于边界. 可以减少收敛的难度. 当逆流发生时，设定的静压值作为总压计算.
压力出口条件（pressure outlet） (2)

不可压缩流动:

输入静压定义出口边界条件 其它所有边界参数通过内部流动计算获得. 如果局部超音速，则忽略静压输入. 所有边界参数通过内部流动计算获得.



压力边界条件

压力边界条件需要输入参数为表压:
pabsolute p gauge poperating
gauge pressure absolute pressure operating pressure
pressure level

操作压力的输入:

Define Operating Conditions
周期性条件:例子

p = 0:
4 tangential inlets

p > 0:
computational domain
Rotationally periodic boundaries
flow direction
Streamlines in a 2D tube heat exchanger Translationally periodic boundaries

传热边界条件:


对于湍流，固壁上的粗糙度可定义.


固壁可设定平动和旋转移动.
对称边界条件

减少计算流域. 流场和几何结构必须对称:

对称面上的法向速度为零 对称面上的所有参量梯度为零

对称面不需输入参数.

对称面的设定需慎重.

也可用于模拟粘性流动中的滑移壁面
symmetry planes

根据不同的物理模型需要设定不同的边界参数. 指导方针:

有流体流入或流出的位置.

有利于收敛. 表示设置错误.

在边界方向避免出现过大的梯度.


减小边界上网格的斜度.
速度入口（velocity inlet）

定义入口边界的速度向量和标量. 知道入口处的详细速度分布时较好.

默认条件为均匀的速度分布 流动总（停滞）参数不固定.
涡轮的排除口 Intensity = 20 % Length scale = 1 - 10 % 叶片宽度 孔板下游 Intensity = 10 % Length scale = 孔的尺寸 水渠或管路中完全发展的流动 Intensity = 5 % Length scale = 水力直径

湍流强度和湍流尺度决定于上游条件等:
Define Profiles

速度分布图还可以由以下手段制作:


速度分布图的超作:


在入口边界条件中选择.
设定湍流参数

当流动为湍流条件，入口、出口、远场边界条件等需要设定湍流 参数:

湍流动能 k

湍流耗散率

在实际设置时可采用以下四种方式设定:

明确地设定 k和 设定湍流强度和湍流尺度 设定湍流强度和湍流比率 设定湍流强度和水力直径
orifice (interior) orifice_plate and orifice_plate-shadow outlet

指定进入计算流域的通量.


流体和固体区域以单元域来描述.

材料和源项等通过单元域给定.
wall inlet fluid
带孔板的管路流动中面和 单元域关联

边界和内面区域以面域来描述.
其它进口和出口边界条件

质量流量入口

用于可压缩流动设定入口的质量流量. 对于不可压缩流动是不必要的. 在密度基于理想气体假设计算的情况下是有用的. 对于无限大流场中的外流计算问题.

压力远场条件


排气风扇和通风出口Exhaust Fan/Outlet Vent

在出口处存在压力的增高或降低.


只适用于不可压缩流动.

停滞参数根据速度分布的不同而变化.

用于计算可压缩流动可能导致不符合物理规律的结果. 导致不符合物理规律的结果, 不正确的速度场等问题

应避免在接近固体障碍物的位置设定速度入口条件.

应用速度分布图

可选择应用UDF来定义入口边界的速度 分布.

速度分布图可以是空间相关或者时间相关. 通过其它CFD分析结果获得速度分布图 创建含坐标信息和边界数据的文本文件.
在入口处存在压力的增高或降低.

进气风扇和通风入口Inlet Vent/Intake Fan

固壁条件

包含流体和固体的表面. 对于粘性流动，采用无滑移的条件:

壁面上流体切向速度等于固壁速度. 法向速度为 0 温度、热量和辐射等多种条件. 固壁材料的传热可定义为一维的传热计算. 壁面剪切速率和传热特性决定于壁面附近的流场.

直接数值模拟只适合于模拟简单的低雷诺数流动. 作为可行的方法, 改而求解雷诺平均 Navier-Stokes (RANS) 方程:
Rij U i p 2U i U k xk xi x j x j x j
其中
Rij ui u j
(雷诺应力)


注: 在有回流产生的情况下，采用压力出口条件代替出流条 件可能更加有利于求解问题的收敛.
出流 （Outflow）条件的限制

出流条件不能应用于:

可压缩流动. 在采用压力入口的情况下 (通常可用速度入口代替): 密度会改变的非定常流动.
outflow condition ill-posed
平均（系综平均）
RSM模型
RSM模型
RANS模型


人们从统计平均的角度出发提出：把一 个瞬态的物理量分解为一个平均量和一 ' 个脉动量之和，即 i i 。 i 把分解后的物理量带入到原始的N-S方程 中并取系综平均后，得到时均的N-S方程 （即雷诺方程）：
ui p ( ui u j ) t x j xi x j
时间平均湍流速度脉动通过基于经验常数和主流的信息来求解. 大涡模拟Large Eddy Simulation对大涡进行直接求解，而对小涡采 用湍流模式s.
流动的基本方程
流体流动可以分为以下两大类：
层流（Laminar flow）
湍流（紊流）（Turbulent flow） 从流动的机理来看都满足Navier－Stokes 方程。
周期性（Periodic）边界条件

几何结构及其流动或传热具有周期性特征.

减少计算流域和计算量.

FLUENT里可用的两种形式. 通过周期面的p = 0.

旋转和平移周期性条件.

旋转周期性条件需要区域为旋转运动.

通过周期面存在一定的p. 默认条件下，FLUENT设定为平移周期性条件.

可压缩流动:


当入口采用压力入口，则出口必须采用压力出口.
出流（outflow）条件



除了压力参数外，流域内流出的流体在Outflow边界上流动 参数的法向梯度为零. FLUENT 通过内部流动的计算外推. 对以下情况适用:

事先不知道所计算问题的速度和压力. 在出口的流动接近于充分发展条件的情况下比较合适.

边界上的数据通过面域给定.
设置边界条件

各区域在前处理过程中划分完成 为特定的域设置边界条件:
Define Boundary Conditions...


在Zone列表中选择域的名称. 在 zone type列表中选择边界类型 点击 Set...按钮进行边界条件的设置

亦可在图形界面中采用鼠标右键来选择边界 进行设置.

N－S方程由一个连续性方程和三个动量 方程组成
u i 0 xi ui 2ui p ( ui u j ) 2 t x j xi x j
湍流模型
过滤（空间平均） LES（大涡模拟）
湍流模型
涡黏性模型 k-ε模型 K-ω模型 Spalart-Allmaras 模型

旋转参考系模型

流动采用移动的参考坐标系描述 应用上限制较多

多区域:

每个区域均采用不同坐标系描述:

多参考坐标系模型 混合面模型

一个区域出口的流场参数用作 相邻的下一个区域的入口条件.

每个区域定义为移动网格:

滑移网格模型

定义分界面. 网格位置需要计算，非定常

动网格
单元域: 固体

设定各出口的流量权重: mi=FRWi/FRWi.

各出口静压根据流动的分布不同而不 同. Nhomakorabeavelocity inlet
FRW1

也可以采用压力出口条件设定.
FRW2
velocity-inlet (v,T0) or pressure-inlet (p0,T0)
pressure-outlet (ps)1 pressure-outlet (ps)2

2、湍流的模拟
什么是湍流?

各速度分量非稳定、非周期性波动 mixing matter, momentum, and energy. 把速度描述成平均量和脉动量之和: Ui(t) Ui + ui(t)
ui(t) U i (t) Ui
Time

压力、温度等也呈现类似波动.
为何采用湍流模式模拟湍流?
ptotal pstatic (1

k 1 2 k /( k 1) M ) 2
超音速/初始表压:

定义超音速流动的静压. 对于不可压缩流动，可用于流场的初始化. 对于可压缩流动必须定义. 对于不可压缩流动，可用于定义静温度.

总温:

压力出口条件（pressure outlet） (1)

多孔介质（Porous Media）条件

处理为特殊的流域.


在 Fluid panel激活. 压力损失可通过输入的阻力系数确定， 或由集中参数模型计算.

用于模拟通过多孔介质的流动 或其它分布式结构的阻力.,

过滤器 过滤纸 多孔板 流体分布器 管束
移动区域

单区域:

在以下情况下:

不清楚具体域的位置且首次设置； 模型中含两个以上同类型的边界时。.
入口和出口条件

描述流体流入和流出的边界条件类型:

通用的


可压缩流动

压力入口 压力出口

质量流入口 压力远场条件 通风入口, 通风出口, 进气风扇, 排气风扇

不可压缩流动

特殊条件

速度入口 出流条件
operating pressure

以下情况可用压力条件:


流速未知 (如重力驱动流动). 出口处的自由流动.
vacuum
压力入口条件（pressure inlet）

定义总压、温度和其它标量.
ptotal pstatic 1 2 v 2
incompressible flows compressible flows