4.边界条件

k 1 2 k 1 1 M 2
• 入流方向
k 1 2 T total T static 1 M 2
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压力入口
压力入口需要输入表压 – 工作压力水平可能有时候会影响解的精确性（当压力波动相 对小的时候） – 设置操作压力
– 用于模拟具有指定压力跳跃/损失系数，流动方向，以及环境（通风 口处）压力和温度的排气扇/通风口 进风口/进风扇 – 用于模拟具有指定损失系数，流动方向，以及环境（入口处）压力 和温度的进风口/进风扇
• 在紊流模型那课将会讲到适合大涡和分离涡模态的入口边界条件
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其它入口/出口边界条件
• 压力远场
– 用指定的静态条件和自由流的马赫数来定义无穷远处自由可压流 – 只有在密度符合理想气体规律情况下可以使用
• 目标质量流率压力出口选项（对多相流模式ห้องสมุดไป่ตู้适用）
– 提供在压力出口确定质量流率的功能（通过设定常数或者UDF定义） – 在TUI中有迭代方式选项
• 排气扇/通风口
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质量入口流动
•
必需的信息
– 质量流率或者质量流量 • 质量流率意味着统一的质量流量 • 质量流量能够用轮廓文件或者 UDF来定义 – 超音速/初始表压 • 当流动是当地超音速的时候考虑， 亚音速时就忽略了 – 如果流动区域从这个边界开始初始化 的，那么这个压力将被作为初始压力
–
•
对可压和不可压都适合
– –
•
对理想气体（可压）流动，无反射出口边界条件适用
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自由出流
• 不需要压力或者速度信息
– 出口数据由内部外推得到 – 边界处使用了质量平衡修正
• 流动存在自由出流边界条件意味着边界处流动变量零法向的扩散
• 否则将在计算中过早引入 误差
1 2
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可用边界类型
• 外部面
– 常规－压力入口，压力出口 – 不可压－速度入口，自由出流 – 可压－质量流入口，压力远场，质量流 出口 – 其它－壁面，对称面，轴，周期 – 特殊－通风口入口，通风口出口，进气 风扇，排气风扇 outlet orifice wall
壁面
• •
用来分离流体和固体区域 在粘性流，无滑移条件下
– 切向流速等于壁面的速度 – 所有法向速度为零 – .剪切压力也能够指定
•
热边界条件
– 几个可用类型 – 一维方向或壳的热传的计算，导 壁面材料和厚度可以定义（细节 问题将在热传导那课详细讨论）
•
对湍流问题可定义壁面粗糙度
– 壁面的剪切应力和热传导是基于 当地流场的
– 可以用来定义粘性流中的滑移壁面
• 轴边界
– 用于轴对称问题的中心线 – 不需要输入 – 必须与x轴正向相符合
symmetry planes
axis
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周期边界
• 用来减少网格总数 • 流场和几何结构必须包括旋转或者 平移周期 • 转动型周期
• 单元区域
– – – – 流体 固体 多孔介质 热交换器 plate plate-shadow
inlet
• 内部面
– 风扇，内部，多孔跳跃，散热器，壁面
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改变边界类型
• 区域和区域类型在前处理程序中已经定义了 • 改变特定区域的区域类型
定位边界：举例
空气
• 三种可能方式定位入口型 边界：
1 多个上游入口
• 能使用统一外形 • 混合的适当比例 • 没有预先混合的化学反 应模型 • 需要更多单元
1
燃烧墙
2
3
2 喷嘴入口面
• 没有预先混合的化学反 应模型 • 需要精确数据外形
3 喷嘴出口面
• 预混合化学反应模型 • 需要精确外形
1
喷嘴 六面体盒子
边界条件
Introductory FLUENT Training
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定义边界条件
• 定义一个问题，并且能获得唯一的解，你必须在依靠 变量值的边界区域上给出边界条件
– 定义区域内的质量流量, 动量, 能量, 等等
– 适合于出流流动充分发展的流动
• 用于不可压流
– 不能和压力入口同时使用（必须和速度入口同时使用）
• 不能和在整个流域内单独设置压力梯度联合使用
– 不能用于可变密度非定常流动
• 当迭代时出现回流收敛程度很差
– 如果预测最后结果会出现回流则不能使用
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•
总温（热标）
– 对不可压流来说就是静温 – 方向定义方法
•
质量流动入口用于可压流；但是，也 可用于不可压流
– 总压随着质量流入变化而变化 – 比压力入口更难收敛
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压力出口
• 必需的信息
– 表压（静压） • 也就是流动出口处的环境静压 • 径向压力平衡分布选项可用 • 在有回流发生的地方的总压是入流压力的两倍 回流量 • 在计算过程中或作为最终结果的一部分， 回流可能发生在压力出口 • 回流方向的确定方法 • 回流边界数据一定是对所有的输运变量进行设置的 • 提供真实的回流量能够降低收敛难度 如果流动是当地超音速的话，出口处压力可以忽略 对外部或者不确定的流动可以当作 “自由”边界使用
– 给特定域设置边界条件 • 在Zone菜单中选择域名 • 按Set键 – 边界条件数据可以从一个区域复制到另一个
•
边界数据能够使用TUI命令读入和写出到 一个文件中/file/write-bc
/file/read-bc
• •
边界条件也可以由UDF和轮廓文件来定义 轮廓文件可以这样产生：
– 从另一个CFD仿真中写一个轮廓文件 – 用边界数据创造一个适当的格式化文本
单元区域－固体
• 固体区域是由一组专门用来计算热 传导问题的控制单元组成
– 不求解任何流动方程 – 被看作固体的材料可能实际上是流 体，但是它被假设为没有对流发生
• 只需要在材料（固体）面板中输入 材料名称 • 输入选项允许你设置测量体积生热 率（热源） • 如果在邻近固体单元内有旋转周期 边界的话就需要定义旋转轴 • 可以定义固体区域的运动
– 在流体面板上激活Porous Zone 选项 – 流动中的压力损失由用户输入参数计算的阻力系数来决定
• 用来定义通过多孔介质和其它具有阻力的分布式流动 • For example,比如
– – – – – 河床 滤纸 多孔板 流量分配器 管束
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速度入口
•
速度定义方法
– 大小，垂直于边界 – 三个分量 – 大小和方向
• 速度轮廓默认是统一的 • 打算用在不可压流上
– 根据给定的速度分布调节静压 – 流体总的（滞止）属性也会变化 – 在可压流上使用速度入口可能导 致无意义的结果
– 质量，动量，能量，自定义标量，等等。
如果试图模拟过渡流动就将流体区域定 义为层流区域。 可以定义域为多孔介质 定义转动型周期流动的旋转轴 能够定义流体区域的运动
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多孔介质条件
• 多孔区域被当作流体区域中的特殊类型
模拟多个出口边界
• 多种出口的流动可以使用压力出口 或者自由出流边界
– 压力出口
velocity-inlet (V, T0) OR pressure-inlet (p0, T0) pressure-outlet (ps)1
– 自由出流:
pressure-outlet (ps)2
• 质量流率分数由流速权重决定
•
在壁面边界上可以指定平移和转 动速度
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对称和轴边界
• 对称边界
– 用来降低计算量 – 不需要任何输入 – 流场和几何结构必须对称
• 在对称平面上法向速度为零 • 所有法向变量的梯度为零 • 必须小心正确地定义对称边界位置
• 能够定义负的速度入口用来作为 “速度出口”
– 你必须确保在多个入口的情况下 质量守恒能够满足
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压力入口
•
总表压
– 定义能量来驱动流体 – 在可能发生回流的地方定义 双倍静表压
• 内部解决定回流方向
mi FRW
i i
FRW
i
– FRW 默认设置为1 (暗示等于流率) • 通过出口之间的静压变化来调节流量分布
outflow (FRW1) velocity-inlet (V, T0) outflow (FRW2)
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Pabsolute Pgauge Poperating
Define Operating Conditions…
• 适合于可压和不可压流动
– 压力入口边界可用于从自由流动到滞止流动的过渡范围 – FLUENT 在入口处计算静压和速度 – 通过边界的质量流量依赖内部解算和所定义的流动方向
• 在外部流动或者不确定的流动可以作为“自由”边界
Define Boundary Conditions…
– 在“区域”菜单中选择区域名
• 也可以在显示面板中右键选择边界区域
– 在“类型”菜单中选择新的区域类型
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设置边界条件数据
•
在边界条件面板中设置数据
– 通过周期平面的P = 0. – 旋转轴必须在流场区域中定义
旋转周期平面
• 平移型周期
– 在周期平面上P是有限的. – 模拟流动完全发展的周期条件 – 定义每个周期的平均P 或者净质量 Flow 流率 – 在GAMBIT中周期性边界定义是平移 的
2D Tube Heat Exchanger
平移周期平面
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单元区域－流体
•
•
流体区域是由求解控制方程时用的一系 列控制单元所组成 需要选择流体材料
– 对多组分或者多相流动来说，材料没有显 示出来。相反，流体区域由这些相混合而 成。
• • • • •
输入选项中允许定义源项
•
超音速/初始表压
– 当流动是超音速的时候才考 虑，亚音速时就忽略了 – 如果流动区域从这个边界开 始初始化的，那么这个压力 将被作为初始压力
不可压流:
可压流:
Ptotal Pstatic
k
V 2
2
• 总温（热标）
– 对不可压流来说就是静温
Ptotal
absolute
Pstatic
absolute
• 定义边界条件包括:
– 定义边界位置（比如：入口，壁面，对称面） – 提供边界信息
• 边界上必需的数据依赖边界条件类型和使用的物理模 型 • 你必须知道边界条件定义时需要那些信息，你确定边 界条件的位置的这些信息是否已知或能合理的近似
– 边界条件定义的不好将会对你的结果产生重大影响
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燃料
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要领
修改过的上压力边界确定流体进入区域
• 要领
– 尽可能选择边界位置和形 状使流体或进或出的流动
• 不是必须的，但是会更利 于解的收敛
– 在边界法向方向上不该有 大的梯度
• 指出错误设置
– 减少边界附近的网格倾斜