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1、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n入口和出口边界条件n速度边界n速度分布图表n湍流参数n压力边界和其它n壁面, 对称, 周期 和 轴对称边界n内流域n流体n多孔介质n移动区域n固体n内部面单元概 况n边界条件:n直接描述边界上的流动情况. n求解数学方程所必须.n指定进入计算流域的通量.n如，质量、动量和能量n流体和固体区域以单元域来描述.n材料和源项等通过单元域给定.n边界和内面区域以面域来描述.n边界上的数据通过面域给定.带孔板的管路流动中面和 单元域关联inletoutletwallorifice (interior) orifice_plate an
2、d orifice_plate-shadowfluid设置边界条件n各区域在前处理过程中划分完成n为特定的域设置边界条件:Define Boundary Conditions.n在Zone列表中选择域的名称.n在 zone type列表中选择边界类型n点击 Set.按钮进行边界条件的设置n亦可在图形界面中采用鼠标右键来选择边界 进行设置.n在以下情况下:n不清楚具体域的位置且首次设置；n模型中含两个以上同类型的边界时。.入口和出口条件n描述流体流入和流出的边界条件类型:n通用的n压力入口n压力出口n不可压缩流动n速度入口n出流条件n根据不同的物理模型需要设定不同的边界参数.n指导方针:n有流体
3、流入或流出的位置.n有利于收敛.n在边界方向避免出现过大的梯度.n表示设置错误.n减小边界上网格的斜度.n可压缩流动n质量流入口n压力远场条件n特殊条件n通风入口, 通风出口, 进气风扇, 排气风扇速度入口（velocity inlet）n定义入口边界的速度向量和标量.n知道入口处的详细速度分布时较好.n默认条件为均匀的速度分布n只适用于不可压缩流动.n流动总（停滞）参数不固定.n停滞参数根据速度分布的不同而变化.n用于计算可压缩流动可能导致不符合物理规律的结果.n应避免在接近固体障碍物的位置设定速度入口条件.n导致不符合物理规律的结果, 不正确的速度场等问题应用速度分布图n可选择应用UDF来
4、定义入口边界的速度 分布.n速度分布图可以是空间相关或者时间相关 .n速度分布图还可以由以下手段制作:n通过其它CFD分析结果获得速度分布图n创建含坐标信息和边界数据的文本文件.n速度分布图的超作:nDefine Profilesn在入口边界条件中选择. 设定湍流参数n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:n湍流动能 k 湍流耗散率 n在实际设置时可采用以下四种方式设定:n明确地设定 k和 n设定湍流强度和湍流尺度n设定湍流强度和湍流比率n设定湍流强度和水力直径n湍流强度和湍流尺度决定于上游条件等:n涡轮的排除口 Intensity = 20 %Length scal
5、e = 1 - 10 % 叶片宽度n孔板下游 Intensity = 10 %Length scale = 孔的尺寸n水渠或管路中完全发展的流动 Intensity = 5 %Length scale = 水力直径压力边界条件n压力边界条件需要输入参数为表压 :n操作压力的输入:nDefine Operating Conditionsn 以下情况可用压力条件:n流速未知(如重力驱动流动).n出口处的自由流动.gauge pressureoperating pressurepressure leveloperating pressureabsolute pressurevacuum压力入口条件（
6、pressure inlet）n定义总压、温度和其它标量.n超音速/初始表压:n定义超音速流动的静压.n对于不可压缩流动，可用于流场的初始化.n总温:n对于可压缩流动必须定义.n对于不可压缩流动，可用于定义静温度.incompressible flowscompressible flows压力出口条件（pressure outlet） (1)n定义出口静压.n出口处外部环境的表压.n径向压力平衡选项.n逆向来流:n在求解过程中或部分区域中出现.n假设方向垂直于边界.n可以减少收敛的难度.n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)n不可压缩
7、流动: n输入静压定义出口边界条件n其它所有边界参数通过内部流动计算获得.n可压缩流动:n如果局部超音速，则忽略静压输入. n所有边界参数通过内部流动计算获得.n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n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.nFLUENT 通过内部流动的计算外推.n对以下情况适用:n事先不知道所计算问题的速度和压力.n在出口的流动接近于充分发展条件的情况下比较合适.n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n出流条件不能应用
8、于:n可压缩流动.n在采用压力入口的情况下 (通常可用速度入口代替): n密度会改变的非定常流动.outflow condition ill-posedoutflow condition not obeyedoutflow condition obeyedoutflow condition closely obeyed模拟多出口条件n应用Outflow 边界条件:n默认条件下，质量流平均分配.n默认条件下流量权重 (FRW) 设为1.n对于不均匀的流动分布:n设定各出口的流量权重: mi=FRWi/FRWi.n各出口静压根据流动的分布不同而不 同. n也可以采用压力出口条件设定.pressur
9、e-inlet (p0,T0)pressure-outlet (ps)2velocity-inlet (v,T0)pressure-outlet (ps)1 orFRW2velocity inletFRW1其它进口和出口边界条件n质量流量入口n用于可压缩流动设定入口的质量流量.n对于不可压缩流动是不必要的.n压力远场条件n在密度基于理想气体假设计算的情况下是有用的.n对于无限大流场中的外流计算问题.n排气风扇和通风出口Exhaust Fan/Outlet Ventn在出口处存在压力的增高或降低.n进气风扇和通风入口Inlet Vent/Intake Fann在入口处存在压力的增高或降低.固壁条
10、件n包含流体和固体的表面.n对于粘性流动，采用无滑移的条件:n壁面上流体切向速度等于固壁速度.n法向速度为 0n传热边界条件:n温度、热量和辐射等多种条件.n固壁材料的传热可定义为一维的传热计算.n对于湍流，固壁上的粗糙度可定义.n壁面剪切速率和传热特性决定于壁面附近的流场.n固壁可设定平动和旋转移动.对称边界条件n减少计算流域.n流场和几何结构必须对称:n对称面上的法向速度为零n对称面上的所有参量梯度为零n对称面不需输入参数.n对称面的设定需慎重.n也可用于模拟粘性流动中的滑移壁面symmetry planes周期性（Periodic）边界条件n几何结构及其流动或传热具有周期性特征.n减少计
11、算流域和计算量.nFLUENT里可用的两种形式.n通过周期面的p = 0.n旋转和平移周期性条件.n旋转周期性条件需要区域为旋转运动.n通过周期面存在一定的p.n默认条件下，FLUENT设定为平移周期性条件.周期性条件:例子computational domainStreamlines in a 2D tube heat exchangerflow directionTranslationally periodic boundaries4 tangential inletsRotationally periodic boundaries p = 0: p 0:轴对称条件n主要用于:n中心轴对称
12、网格n 3D O-type gridn设定:n不需另外设定参数AXIS boundary单元域: 流体n流体域 = 需求解的各单元组合.n流体参数输入.n组份，相.n允许设置源项:nmass, momentum, energy, etc.n定义为层流 n可以定义为多孔渗流.n设定旋转周期流动的旋转轴.n定义流域的运动.多孔介质（Porous Media）条件n处理为特殊的流域.n在 Fluid panel激活.n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.n用于模拟通过多孔介质的流动或其它分布式结构的阻力.,n过滤器n过滤纸n多孔板n流体分布器n管束移动区域n单区域:n旋转参考系模
13、型n流动采用移动的参考坐标系描述n应用上限制较多n多区域:n每个区域均采用不同坐标系描述:n多参考坐标系模型n混合面模型n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.n每个区域定义为移动网格:n滑移网格模型n定义分界面.n网格位置需要计算，非定常n动网格单元域: 固体n固体域 = 需求解热传导问题的固体单元组 合.n不需求解流动n对于材料处理，还可设定为流体，但没有 对流发生.n还允许输入固体内的热源.n可以定义固体区域的运动内面（Internal Face）条件n定义单元面n没有厚度n用于分割不同区域.n用于实现以下物理模型:n旋转机械n多孔渗水.n内部的固壁 2、湍流的模拟n各速
14、度分量非稳定、非周期性波动 mixing matter, momentum, and energy.n把速度描述成平均量和脉动量之和: Ui(t) Ui + ui(t)n压力、温度等也呈现类似波动.什么是湍流?TimeU i (t)Uiui(t)为何采用湍流模式模拟湍流?n直接数值模拟只适合于模拟简单的低雷诺数流动.n作为可行的方法, 改而求解雷诺平均 Navier-Stokes (RANS) 方程:其中 (雷诺应力) n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.n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
15、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NavierStokes方程。nNS方程由一个连续性方程和三个动量 方程组成湍流模型湍流模型过滤（空间平均）平均（系综平均）LES（大涡模拟）涡黏性模型RSM模型k-模型K-模型Spalart-Allmaras 模型RSM模型RANS模型n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 。n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）： 其中， 为雷诺应力项。由于雷诺应力项的出现，使
16、 得方程组不封闭，无法求解。 举例（ k-模型）雷诺应力湍流黏性系数雷诺应力模型RSMGenerationPressure-Strain RedistributionDissipationTurbulent Diffusion(modeled)(related to e)(modeled)(computed)雷诺应力输运方程.Pressure/velocityfluctuationsTurbulent transport雷诺应力模型RSMnRSM 依靠求解附加的雷诺应力（Reynolds stresses）来使得雷诺平均的N -S方程 （Reynolds-Averaged Navier-Stokesequations）封闭.n雷诺平均导致脉动项出现n封闭方程依然需要计算耗散率的方程n避免了涡年限等方
