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1、Fluent_第7章_边界条件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life, there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望边界条件边界条件Why and Whatu为了获得物理问题（各种微分方程）的为了获得物理问题（各种微分方程）的唯一解唯一解，必须对计算域边界设定各种参数值必须对计算域边界设定各种参数值.n如各种通量（热通量、质量通量）、运动状况等如各种通量（热通量、质量通量）、运动状况等.u边界条件内容边界条件内容:n定义边界条件的定义边界条件的位置信息位置信息 (如进口、固体壁面、对称位如进口、固体
2、壁面、对称位置面置面)n确定边界上的各种确定边界上的各种参数信息参数信息u边界条件的具体内容和计算中采用的物理模型、边界条件的具体内容和计算中采用的物理模型、边界条件的类型密切相关边界条件的类型密切相关.u必须仔细确定边界条件的参数必须仔细确定边界条件的参数n直接影响了求解过程和所得到的结果直接影响了求解过程和所得到的结果.边界条件边界条件u边界条件的作用边界条件的作用u设置边界条件设置边界条件n流场的入口和出口流场的入口和出口n壁面、重复周期边界条件壁面、重复周期边界条件n内部单元区域内部单元区域n内部单元边界内部单元边界边界条件的作用边界条件的作用u边界条件边界条件n边界条件指引并限制流体
3、运动。边界条件指引并限制流体运动。n边界条件是数学模型中必需的部分。边界条件是数学模型中必需的部分。u指定进入计算区域的通量：指定进入计算区域的通量：l质量质量l动量动量l能量能量u边界条件被分配到区域内边界条件被分配到区域内n区域是单元（流体或固体）或单元边界（流场边界或区域是单元（流体或固体）或单元边界（流场边界或内部面）的集合。内部面）的集合。n内部面主要用于后处理。内部面主要用于后处理。n内部面与区域相联系：内部面与区域相联系：l内部的面可以从单元边界自动产生。内部的面可以从单元边界自动产生。n内部面只与流体区域有个而与固体区域无关。内部面只与流体区域有个而与固体区域无关。l湍流中的湍
4、流中的K.E. l湍流中的耗散率湍流中的耗散率l组分质量分数组分质量分数outwallsin边界的种类边界的种类uaxis 轴边界轴边界uexhaust-fan 排气扇面排气扇面uinlet-vent 排气口排气口uintake-fan 入口扇面入口扇面uinterface 界面界面umass-flow-inlet 质量入口质量入口uoutflow 流出流出uoutlet-vent 出口出口upressure-fat-field 压力远场压力远场upressure-inlet 压力入口压力入口upressure-outlet 压力出口压力出口usymmetry 对称对称uvelocity-in
5、let 速度入口速度入口uwall 壁面壁面基本的边界类型基本的边界类型u外部面外部面n一般一般: Pressure inlet, Pressure outletn不可压不可压: Velocity inlet, Outflown可压可压: 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单元、区域单元、区域nFluid and Solidu相交面相交面nFan, Interior, Por
6、ous Jump, Radiator, WallsinletoutletwallinteriorOrifice_plate and orifice_plate-shadow边界条件定义边界条件定义u速度入口速度入口 流动入口边界的速度和标量。流动入口边界的速度和标量。u压力入口压力入口 流动入口边界的总压和其它标量。流动入口边界的总压和其它标量。u质量流动入口质量流动入口 可压流规定入口的质量流速。可压流规定入口的质量流速。 在不可压流中不必指定入口的质量流，因为当密度是常在不可压流中不必指定入口的质量流，因为当密度是常数时，速度入口边界条件就确定了质量流条件。数时，速度入口边界条件就确定了质
7、量流条件。u压力出口压力出口 流动出口的静压（在回流中还包括流动出口的静压（在回流中还包括 其它的标量）。其它的标量）。 当出现回流时，使用压力出口边界条件来代替质量出当出现回流时，使用压力出口边界条件来代替质量出 口口条件常常有更好的收敛速度。条件常常有更好的收敛速度。u压力远场压力远场 模拟无穷远处的自由可压流动，该流模拟无穷远处的自由可压流动，该流 动的自由流马赫数以及静态条件已经动的自由流马赫数以及静态条件已经 指定了。这一边界类型只用于可压指定了。这一边界类型只用于可压 流。流。边界条件定义边界条件定义u质量出口质量出口 假定除了压力之外的所有流动变量正法假定除了压力之外的所有流动变
8、量正法 向梯度为零。模拟的流动出口的流速和向梯度为零。模拟的流动出口的流速和 压力未知。适合于出口完全发展。不适压力未知。适合于出口完全发展。不适 合于可压流计算。合于可压流计算。u进风口进风口 模拟具有指定的损失系数，流动方向以模拟具有指定的损失系数，流动方向以 及周围（入口）环境总压和总温的进风口。及周围（入口）环境总压和总温的进风口。u进气扇边界进气扇边界 模拟外部进气扇，它具有指定的压力跳跃，模拟外部进气扇，它具有指定的压力跳跃， 流动方向以及周围（进口）总压和总温。流动方向以及周围（进口）总压和总温。u通风口通风口 模拟通风口，它具有指定的损失系数以及周模拟通风口，它具有指定的损失系
9、数以及周 围环境（排放处）的静压和静温。围环境（排放处）的静压和静温。u排气扇边界排气扇边界 模拟外部排气扇，它具有指定的压力跳跃以模拟外部排气扇，它具有指定的压力跳跃以 及周围环境（排放处）的静压。及周围环境（排放处）的静压。基本流程基本流程GambitBoundary TypeFluid TypeFluentSolverSelect BoundarySet Parameters边界条件的定义边界条件的定义Solvern选择求解器选择求解器n正对求解器选择不同的正对求解器选择不同的边界条件定义器边界条件定义器边界条件的定义边界条件的定义Specify Typen选择边界对应的几何体选择边界对
10、应的几何体l默认值：面默认值：面n选择边界的类型选择边界的类型.l鼠标直接选取鼠标直接选取.n对定义好的边界可以再对定义好的边界可以再操作操作l更改、删除更改、删除.边界条件的定义边界条件的定义Specify Typen选择边界对应的几何体选择边界对应的几何体l默认值：体默认值：体n选择边界的类型选择边界的类型.l鼠标直接选取鼠标直接选取.n对定义好的边界可以再对定义好的边界可以再操作操作l更改、删除更改、删除.边界条件的定义边界条件的定义Definen在在Fluent中定义边界条件的具体值中定义边界条件的具体值l各种边界条件的参数各种边界条件的参数l可以重新定义边界类型可以重新定义边界类型重
11、新定义边界条件重新定义边界条件u一般边界条件在预处理软件中定义一般边界条件在预处理软件中定义.u可以在可以在Fluent中更改中更改:Define Boundary Conditions.n选择要更改的几何体选择要更改的几何体n从从Type中选择新的类型中选择新的类型.给定边界条件参数给定边界条件参数u在在 BC panels中直接赋值中直接赋值.n给选定的边界设定给选定的边界设定:l从从Zone菜单中选择边界菜单中选择边界.l点击点击Set按钮按钮n利用利用Copy按钮可以复制边界条件按钮可以复制边界条件.u边界条件的内容可以存盘，边界条件的内容可以存盘， 也可以读入也可以读入.nfile
12、write-bc and file readu利用利用 UDFs and Profiles可以可以 定义复杂的边界条件定义复杂的边界条件流场的入口和出口流场的入口和出口u对计算区域的流场入口和出口可以选择设置多种对计算区域的流场入口和出口可以选择设置多种边界条件。边界条件。u一下列出流场入口和出口可以使用的边界条件：一下列出流场入口和出口可以使用的边界条件：n常用边界条件常用边界条件lPressure inletlPressure outletn不可压流不可压流lVelocity inletlOutflown可压流可压流lMass flow inletlPressure far-fieldn特
13、殊情况特殊情况lInlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fanVelocity Inletu定义类型定义类型:nMagnitude, Normal to BoundarynComponentsnMagnitude and Directionu默认值为均匀流动默认值为均匀流动u适用于适用于 incompressible flows.nStatic pressure 相应分布相应分布.nTotal pressure 同样同样n用于用于 compressible flows 将有可能导致非物理解将有可能导致非物理解.u速度设定为负值时，可以用来表示出
14、口速度设定为负值时，可以用来表示出口.n但是必须要保证流量平衡但是必须要保证流量平衡.压力预处理压力预处理u绝对压力是相对于真空而言的。绝对压力是相对于真空而言的。n绝对压力可以用操作压力和表压来绝对压力可以用操作压力和表压来 表示。表示。u静压是热力学压力。静压是热力学压力。n用绝对压力和表压的形式表示。用绝对压力和表压的形式表示。u边界条件要求用表压形式输入。边界条件要求用表压形式输入。gauge pressureoperating pressurepressure leveloperating pressureabsolute pressurevacuum压力公式压力公式u总压（滞止压力
15、）用下面公式定义：总压（滞止压力）用下面公式定义：n1/2 v2为动压。为动压。u由理想气体定律密度由下面公式计算：由理想气体定律密度由下面公式计算：n不可压流：不可压流：n可压流：可压流：ptotal = pstatic + 1/2 v2设置操作压力设置操作压力（ Operating Pressure）u对可压流：对可压流：n将设置操作压力（将设置操作压力（ Operating Pressure）设为）设为0。n将表压作为绝对压力处理。将表压作为绝对压力处理。u对不可压流，密度为常值时，操作压力（对不可压流，密度为常值时，操作压力（ Operating Pressure）不起作用。）不起作用
16、。u对不可压流，使用理想气体定律计算密度：对不可压流，使用理想气体定律计算密度：n在菜单在菜单Define Materials中选择中选择incompressible-ideal-gas 。n将操作压力（将操作压力（ Operating Pressure）设为问题中压力）设为问题中压力的平均值。的平均值。Pressure Inlet (1)u参数确定参数确定:nTotal Gauge Pressurel驱使流体运动的能量驱使流体运动的能量.nStatic Gauge Pressurel超音速流动时静压超音速流动时静压; l亚音速时忽略亚音速时忽略l从该边界初始化时有用从该边界初始化时有用nTo
17、tal Temperaturel对于不可压流作为静温对于不可压流作为静温.nInlet Flow DirectionIncompressible flows:Compressible flows:Pressure Inlet (2)u注意的是注意的是 Gauge pressure 必须给定必须给定.n nOperating pressure 定义定义: Define Operating Conditionsu同时适用同时适用 compressible 和和 incompressible flows.nFluent 计算时采用计算时采用 static pressure and velocity
18、n通过压力面的通量由内部条件和流动方向决定通过压力面的通量由内部条件和流动方向决定. Mass Flow Inletu参数确定参数确定:n(a) Mass Flow Rate or (b) Mass Fluxl(a) 给定恒定的流量给定恒定的流量l(b) 利用利用 profiles/UDF定义定义nStatic Gauge Pressurel超音速有效超音速有效l该边界初始化有效该边界初始化有效.nTotal Temperaturel对于不可压流动为静温对于不可压流动为静温.nInlet Flow Directionu一般用于一般用于 compressible; 也可用于也可用于 incomp
19、ressible flows.nTotal pressure 由输入变量求得由输入变量求得.n和和 pressure inlet相比相比.收敛性差收敛性差Pressure Outletu给定给定 static gauge pressuren作为出口处的环境压力作为出口处的环境压力.n可以定义径向的压力分布可以定义径向的压力分布.uBackflown收敛过程出现收敛过程出现n最终结果如此最终结果如此.n方向是垂直于边界方向是垂直于边界.u适用于适用于 compressible 和和 incompressible flowsn在超音速条件下，忽略所给定的压在超音速条件下，忽略所给定的压力值力值.u
20、可以被用来模拟自由流可以被用来模拟自由流.Outflowu不需指定任何速度和压力信息不需指定任何速度和压力信息.n由内部区域来传递信息由内部区域来传递信息.n边界上保持流量平衡边界上保持流量平衡.u在在Outflow面上所有参数梯度为零面上所有参数梯度为零n近似于充分发展流近似于充分发展流u适用于适用于 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不能用来模拟密度随时间变化的问题不能用来模拟密度随时间变化的问题.u当存在回流时，很难收敛当存在回流时，很难收敛n不能模拟最终结果存在回流的物
21、理问题不能模拟最终结果存在回流的物理问题.其它的边界条件其它的边界条件uPressure Far Fieldn模拟模拟 ideal gas law下的流动下的流动.n通常给定通常给定 free-stream Mach number 和静态参数和静态参数 .uExhaust Fan/Outlet Ventn给定压力损失系数（压力降）以及环境参数给定压力损失系数（压力降）以及环境参数uInlet Vent/Intake Fann模拟风扇运动模拟风扇运动.n给定压力损失系数（压力降）以及环境参数给定压力损失系数（压力降）以及环境参数确定湍流参数确定湍流参数u在入口（在入口（ inlet ）、出口（）
22、、出口（outlet)、外场、外场(far-field)有湍流时要求定义以下参数：有湍流时要求定义以下参数：l湍流动能湍流动能 k uFLUENT中有四种方法指定湍流参数：中有四种方法指定湍流参数：n显示给出显示给出 k、 n给出湍流强度和长度尺度给出湍流强度和长度尺度n给出湍流强度和粘性比给出湍流强度和粘性比n给出流体强度和水利直径给出流体强度和水利直径u湍流强度和长度尺度取决于上游流场情况，例如：湍流强度和长度尺度取决于上游流场情况，例如：n涡轮的排气涡轮的排气n Intensity = 20 %Length scale = 1 - 10 % of blade spanl湍流耗散率 n通过
23、孔板和筛孔的下游流场通过孔板和筛孔的下游流场n Intensity = 10 % Length scale = 孔筛的尺度孔筛的尺度n充分发展的管流充分发展的管流n Intensity = 5 % Length scale = 水利直径水利直径确定湍流参数确定湍流参数Wall Boundariesu速度：无滑移速度：无滑移n切向速度和固壁面速度相等切向速度和固壁面速度相等.n法向速度为零法向速度为零n可以定义壁面剪切力可以定义壁面剪切力.u热边界热边界:n几种不同的条件几种不同的条件n包括定义壁面厚度包括定义壁面厚度.u定义运动的壁面定义运动的壁面.Symmetry and Axis Boun
24、dariesuSymmetry Boundaryn简化计算量简化计算量.n不需任何参数不需任何参数.n计算域和几何形状必须对称计算域和几何形状必须对称:l对称面上法向速度为零对称面上法向速度为零l所有的变量法向梯度为零所有的变量法向梯度为零uAxis Boundaryn模拟二维轴对称问题模拟二维轴对称问题.n不需任何参数不需任何参数.symmetry planesPeriodic Boundariesu减小计算量减小计算量.u计算域为周期性运动区域计算域为周期性运动区域.u周期性旋转周期性旋转:n周期面上周期面上 p = 0.u周期性平动周期性平动:n在周期面上允许有限的在周期面上允许有限的 p . l模拟充分发展流模拟充分发展流.l在在Gambit中预先中预先 定义为定义为 translational.Translationally periodic planes2D tube heat exchangerflowRotationally periodic planes区域定义区域定义: FluiduFluid zone = 求解的流体计算域求解的流体计算域.u确定确定Fluid material.u确定各种源项确定各种源项:n质量、运动、能量等质量、运动、能量等u定义为多空介质定义为多空介质u定义旋转等周期性运动定义旋转等周期性运动.u定义各种运动方式定义各种运动方式.
