第四章,边界条件解析
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velocity-inlet (v,T0) or pressure-inlet (p0,T0)
FRW1ຫໍສະໝຸດ Baidu
velocity inlet
FRW2
pressure-outlet (ps)1 pressure-outlet (ps)2
计算流体与传热传质
其它 Inlet/Outlet 边界条件
Mass Flow Inlet 用于可压缩流动给定进口质量流量. 对于不可压缩流动，无需给定. Pressure Far Field 材料选择为理想气体时，才会有该选项. 用于给定自由流的可压缩流动状态，给定自由流的马赫数和静压， 静温等。 Exhaust Fan/Outlet Vent 如果出口有个压力抬升或损失，可以采用exhaust fan/outlet vent给定出口压力抬升或损失系数，以及环境压力与温度。 Inlet Vent/Intake Fan inlet vent/intake fan用于进口给定压力的损失系数或压力抬升， 需要给定流动方向，环境（进口）压力及温度等参数。
确定湍流参数
湍流经过 inlet, outlet边界, 或者在远边界条件下, FLUENT 需要提供如下边界 值 湍动能 k 湍流耗散率 给定湍流参数的四种方法: 直接给定 k 和 。 给定turbulence intensity 和 turbulence length scale 给定turbulence intensity 和 turbulent viscosity ratio 设定 turbulence intensity 和 hydraulic diameter 湍流强度与长度尺度取决于上游来流条件，比如 : 透平机械出口 Intensity = 20 % Length scale = 1 - 10 % of blade span 孔板和屏风下游 Intensity = 10 % Length scale = screen/hole size 完全发展的腔道或管内流动 Intensity = 5 % Length scale = hydraulic diameter
计算流体与传热传质
Outflow 边界条件不能使用场合
Outflow 边界不能用于: 可压缩流动. Pressure Inlet 边界条件 : 变密度的非定常流动.
不适合的物理问题: 回流区 流动方向有明显压力梯 度 下游影响上游流动 outflow condition ill-posed outflow condition not obeyed
Defines total pressure, temperature, and other scalar quantities at flow inlets.
ptotal pstatic 1 2 v 2
不可压缩流动 可压缩流动
ptotal pstatic (1
Supersonic/Initial Gauge Pressure: Defines static pressure at boundary for locally supersonic flows. Used, if necessary, to initialize flow field for incompressible flows. Total temperature: must be defined for compressible flows. is used, if necessary, to set static temperature for incompressible flows.
计算流体与传热传质
Outflow边界
Outflow边界，除了压力之外，其它量的梯度为零。 FLUENT 从流场内外推边界所需的信息. 特别有用的情况: 求解之前，不知道速度和压力的流动问题. 流动出口是，或接近是完全发展的流动. 注: 当求解过程中，或者求解结果具有回流时，用 Pressure Outlet 比用 Outflow出口条件更具有收敛优势.
计算流体与传热传质
边界条件设置
每个区（流体、固体）首先在Gambit中预设， Fluent中可以修正与改动 每个区域都必须有其对应的边界条件: Define Boundary Conditions... Choose the zone in Zone list. Click on selected zone type in Type list Click Set... button Can also select boundary zone in graphics window using right mouse button. Useful if: Setting up problem for first time Two or more zones of same type in problem.
计算流体与传热传质
压力边界条件
压力边界条件要求输入表压 （ gauge pressure）:
pressure level gauge pressure absolute pressure operating pressure operating pressure
pabsolute pgauge poperating
工作压力（Operating pressure） 设置 : Define Operating Conditions 适合压力边界条件设置的条件: 进口流量或速度不知道 (如浮力 驱动的流动). 外流的自由边界 或 需要确定的 自由流。
vacuum
计算流体与传热传质
压力边界条件 (1)
计算流体与传热传质
流动进口与出口
Fluent中进、出计算区域的边界条件: 可压缩流动 一般流动 质量进口Mass flow inlet Pressure inlet 压力远场Pressure farfield Pressure outlet 特别 不可压缩 Inlet vent, outlet vent, Velocity inlet intake fan, exhaust fan Outflow 根据物理过程，选择合适的边界条件. 一般准则: 根据有流入与流出情况决定进口与出口的位置与形状. 尽可能选择收敛性好的边界条件. 在垂直边界的方向上不宜有较大的梯度. 表明进口或出口位置位置选择不合理. 近壁处网格的偏斜尽可能小.
orifice (interior) orifice_plate and orifice_plate-shadow outlet
wall inlet fluid
Example: Face and Cell zones associated with Pipe Flow through orifice plate
计算流体与传热传质
压力出口边界 (2)
对于不可压缩流动: 静压给定边界压力 其它量由流场内计算外推得到. 对于可压流动: 静压计算不考虑当地是否是局部超音速. 所有计算量从计算区域里外推计算. 当进口条件设定为pressure inlet时，出口一定要用pressure outlet.
计算流体与传热传质
2 1.75 1.5 1.25
Y
1
0.75 0.5 0.25 0
0
0.5
1
1.5
2
X
计算流体与传热传质
壁面边界条件
用于分界流体与固体区域. 对于粘性流体流动, 不考虑壁面滑移: 壁面切向上的流体速度与壁面移动速度相同. 壁面法向上的流体速度为零。 热边界条件: 有几种选项供选择. 湍流计算可以考虑壁面粗糙度的影响. 壁面切应力和换热取决于当地流动场的计算结果。 可以给定壁面的平移速度或旋转速度. 也可以给定壁面切应力.
计算流体与传热传质
压力出口：Pressure Outlet (1)
定义出口处的static (gauge) pressure. 流场流入什么样的压 力环境里. 可以给定压力径向分布. 压力出口处可能会出现回 流: 求解过程或者求解结 果中，都可能如此. 回流方向与出口边界 垂直的方向. 由于回流量具有“弹 性”，求解收敛性能 较好. 回流出现时，用静压 来给回流总压赋值.
计算流体与传热传质
速度进口：Velocity Inlets
给定速度矢量和标量进口值. 进口速度知道时，给定该条件尤为方便. 默认是均匀速度 该边界条件针对不可压缩流动问题. 总(滞止)量（温度、压力等）不定.
总(滞止)量不定用以调节速度分布
如果用于可压缩流动，得到的解不复合物理意义. 壁面把速度进口放的太靠近障碍物.
outflow condition obeyed
outflow condition closely obeyed
计算流体与传热传质
0.8 0.7 0.6 0.5
Y
0.4 0.3 0.2 0.1 0
0
1
2
3
4
5
6
X
计算流体与传热传质
多出口边界条件数值模拟
应用Outflow边界条件的前提: 默认设置，所有Outflow边界的质量流 量为进口流量均分. 默认设置流量权重 (FRW)为1 . 如果出口的流量不同，则: 制定各个出口的流量权重: mi=FRWi/FRWi. 出口压力不同，用于调节各个出口流 量. 可以采用Pressure边界条件.
计算流体与传热传质
Overview
边界条件: 边界条件决定流动. 数学模型求解的需要. 给定进入计算区域的流率或通量. 如 mass, momentum, 和 energy Fluid/Solid regions represented by cell zones. Material and Source terms are assigned to cell zones. Boundaries and internal surfaces are represented by face zones. Boundary data are assigned to face zones.
第四章，边界条件
计算流体与传热传质
概述
进口与出口边界 速度
压力边界条件 and others... 壁面, 对称, 周期性和轴Axis边界 内部区域 流体（Fluid）
速度及其分布 湍流参数
固体（Solid） 内部边界
多孔介质（Porous Media） 移动区域（Moving Cell Zones）
计算流体与传热传质
给定曲线分布的进口
用 UDF’s 定义边界条件. 曲线可以是空间变化，也可以随时 间变化. 曲线可以: 从其它 CFD 软件模拟结果中读入 产生一个格式文件，具有位置及边 界条件的信息。 可以处理曲线分布边界条件命令: Define Profiles
计算流体与传热传质
k 1 2 k /(k 1) M ) 2
计算流体与传热传质
压力边界条件 (2)
给定流动方向. 流动方向不合理，得到的解可能很不符合物理现象. 适合于：可压与不可压缩流动. Pressure inlet boundary is treated as loss-free transition from stagnation to inlet conditions. Mass flux through boundary varies depending on interior solution and specified flow direction. 压力进口的地方可能会有流出情况出现. 流动方向由求解结果决定. Exhaust static pressure is defined by value specified for gauge total pressure wherever outflow occurs.
FRW1ຫໍສະໝຸດ Baidu
velocity inlet
FRW2
pressure-outlet (ps)1 pressure-outlet (ps)2
计算流体与传热传质
其它 Inlet/Outlet 边界条件
Mass Flow Inlet 用于可压缩流动给定进口质量流量. 对于不可压缩流动，无需给定. Pressure Far Field 材料选择为理想气体时，才会有该选项. 用于给定自由流的可压缩流动状态，给定自由流的马赫数和静压， 静温等。 Exhaust Fan/Outlet Vent 如果出口有个压力抬升或损失，可以采用exhaust fan/outlet vent给定出口压力抬升或损失系数，以及环境压力与温度。 Inlet Vent/Intake Fan inlet vent/intake fan用于进口给定压力的损失系数或压力抬升， 需要给定流动方向，环境（进口）压力及温度等参数。
确定湍流参数
湍流经过 inlet, outlet边界, 或者在远边界条件下, FLUENT 需要提供如下边界 值 湍动能 k 湍流耗散率 给定湍流参数的四种方法: 直接给定 k 和 。 给定turbulence intensity 和 turbulence length scale 给定turbulence intensity 和 turbulent viscosity ratio 设定 turbulence intensity 和 hydraulic diameter 湍流强度与长度尺度取决于上游来流条件，比如 : 透平机械出口 Intensity = 20 % Length scale = 1 - 10 % of blade span 孔板和屏风下游 Intensity = 10 % Length scale = screen/hole size 完全发展的腔道或管内流动 Intensity = 5 % Length scale = hydraulic diameter
计算流体与传热传质
Outflow 边界条件不能使用场合
Outflow 边界不能用于: 可压缩流动. Pressure Inlet 边界条件 : 变密度的非定常流动.
不适合的物理问题: 回流区 流动方向有明显压力梯 度 下游影响上游流动 outflow condition ill-posed outflow condition not obeyed
Defines total pressure, temperature, and other scalar quantities at flow inlets.
ptotal pstatic 1 2 v 2
不可压缩流动 可压缩流动
ptotal pstatic (1
Supersonic/Initial Gauge Pressure: Defines static pressure at boundary for locally supersonic flows. Used, if necessary, to initialize flow field for incompressible flows. Total temperature: must be defined for compressible flows. is used, if necessary, to set static temperature for incompressible flows.
计算流体与传热传质
Outflow边界
Outflow边界，除了压力之外，其它量的梯度为零。 FLUENT 从流场内外推边界所需的信息. 特别有用的情况: 求解之前，不知道速度和压力的流动问题. 流动出口是，或接近是完全发展的流动. 注: 当求解过程中，或者求解结果具有回流时，用 Pressure Outlet 比用 Outflow出口条件更具有收敛优势.
计算流体与传热传质
边界条件设置
每个区（流体、固体）首先在Gambit中预设， Fluent中可以修正与改动 每个区域都必须有其对应的边界条件: Define Boundary Conditions... Choose the zone in Zone list. Click on selected zone type in Type list Click Set... button Can also select boundary zone in graphics window using right mouse button. Useful if: Setting up problem for first time Two or more zones of same type in problem.
计算流体与传热传质
压力边界条件
压力边界条件要求输入表压 （ gauge pressure）:
pressure level gauge pressure absolute pressure operating pressure operating pressure
pabsolute pgauge poperating
工作压力（Operating pressure） 设置 : Define Operating Conditions 适合压力边界条件设置的条件: 进口流量或速度不知道 (如浮力 驱动的流动). 外流的自由边界 或 需要确定的 自由流。
vacuum
计算流体与传热传质
压力边界条件 (1)
计算流体与传热传质
流动进口与出口
Fluent中进、出计算区域的边界条件: 可压缩流动 一般流动 质量进口Mass flow inlet Pressure inlet 压力远场Pressure farfield Pressure outlet 特别 不可压缩 Inlet vent, outlet vent, Velocity inlet intake fan, exhaust fan Outflow 根据物理过程，选择合适的边界条件. 一般准则: 根据有流入与流出情况决定进口与出口的位置与形状. 尽可能选择收敛性好的边界条件. 在垂直边界的方向上不宜有较大的梯度. 表明进口或出口位置位置选择不合理. 近壁处网格的偏斜尽可能小.
orifice (interior) orifice_plate and orifice_plate-shadow outlet
wall inlet fluid
Example: Face and Cell zones associated with Pipe Flow through orifice plate
计算流体与传热传质
压力出口边界 (2)
对于不可压缩流动: 静压给定边界压力 其它量由流场内计算外推得到. 对于可压流动: 静压计算不考虑当地是否是局部超音速. 所有计算量从计算区域里外推计算. 当进口条件设定为pressure inlet时，出口一定要用pressure outlet.
计算流体与传热传质
2 1.75 1.5 1.25
Y
1
0.75 0.5 0.25 0
0
0.5
1
1.5
2
X
计算流体与传热传质
壁面边界条件
用于分界流体与固体区域. 对于粘性流体流动, 不考虑壁面滑移: 壁面切向上的流体速度与壁面移动速度相同. 壁面法向上的流体速度为零。 热边界条件: 有几种选项供选择. 湍流计算可以考虑壁面粗糙度的影响. 壁面切应力和换热取决于当地流动场的计算结果。 可以给定壁面的平移速度或旋转速度. 也可以给定壁面切应力.
计算流体与传热传质
压力出口：Pressure Outlet (1)
定义出口处的static (gauge) pressure. 流场流入什么样的压 力环境里. 可以给定压力径向分布. 压力出口处可能会出现回 流: 求解过程或者求解结 果中，都可能如此. 回流方向与出口边界 垂直的方向. 由于回流量具有“弹 性”，求解收敛性能 较好. 回流出现时，用静压 来给回流总压赋值.
计算流体与传热传质
速度进口：Velocity Inlets
给定速度矢量和标量进口值. 进口速度知道时，给定该条件尤为方便. 默认是均匀速度 该边界条件针对不可压缩流动问题. 总(滞止)量（温度、压力等）不定.
总(滞止)量不定用以调节速度分布
如果用于可压缩流动，得到的解不复合物理意义. 壁面把速度进口放的太靠近障碍物.
outflow condition obeyed
outflow condition closely obeyed
计算流体与传热传质
0.8 0.7 0.6 0.5
Y
0.4 0.3 0.2 0.1 0
0
1
2
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X
计算流体与传热传质
多出口边界条件数值模拟
应用Outflow边界条件的前提: 默认设置，所有Outflow边界的质量流 量为进口流量均分. 默认设置流量权重 (FRW)为1 . 如果出口的流量不同，则: 制定各个出口的流量权重: mi=FRWi/FRWi. 出口压力不同，用于调节各个出口流 量. 可以采用Pressure边界条件.
计算流体与传热传质
Overview
边界条件: 边界条件决定流动. 数学模型求解的需要. 给定进入计算区域的流率或通量. 如 mass, momentum, 和 energy Fluid/Solid regions represented by cell zones. Material and Source terms are assigned to cell zones. Boundaries and internal surfaces are represented by face zones. Boundary data are assigned to face zones.
第四章，边界条件
计算流体与传热传质
概述
进口与出口边界 速度
压力边界条件 and others... 壁面, 对称, 周期性和轴Axis边界 内部区域 流体（Fluid）
速度及其分布 湍流参数
固体（Solid） 内部边界
多孔介质（Porous Media） 移动区域（Moving Cell Zones）
计算流体与传热传质
给定曲线分布的进口
用 UDF’s 定义边界条件. 曲线可以是空间变化，也可以随时 间变化. 曲线可以: 从其它 CFD 软件模拟结果中读入 产生一个格式文件，具有位置及边 界条件的信息。 可以处理曲线分布边界条件命令: Define Profiles
计算流体与传热传质
k 1 2 k /(k 1) M ) 2
计算流体与传热传质
压力边界条件 (2)
给定流动方向. 流动方向不合理，得到的解可能很不符合物理现象. 适合于：可压与不可压缩流动. Pressure inlet boundary is treated as loss-free transition from stagnation to inlet conditions. Mass flux through boundary varies depending on interior solution and specified flow direction. 压力进口的地方可能会有流出情况出现. 流动方向由求解结果决定. Exhaust static pressure is defined by value specified for gauge total pressure wherever outflow occurs.