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[Fluent应用] Fluent之边界条件的确定(转贴)

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发表于 2008-9-15 10:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

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利用FLUENT软件包进行计算过程中,边界条件的正确设置是关键的一步。设置边界条件的方法一般是在利用GAMBIT建模过程中设定的,也可以在FLUENT求解器中对边界类型进行重新设定。

     FLUENT软件提供了十余种类型的进、出口边界条件,分别介绍如下。
     (1)速度入口(velocity-inlet):给出入口边界上的速度。

给定入口边界上的速度及其他相关标量值。该边界条件适用于不可压速流动问题,对可压缩问题不适合,否则该入口边界条件会使入口处的总温或总压有一定的波动。

边界条件设置对话框如附图2-3,输入量包括:速度大小、方向或各速度分量、周向速度(轴对称有旋流动)、静温(考虑能量)等。
1.jpg
附图2-3 速度入口边界设置对话框
    (2)压力入口(pressure-inlet):给出入口边界上的总压。

压力入口边界条件通常用于流体在入口处的压力为已知的情形,对计算可压和不可压问题都适合。压力进口边界条件通常用于进口流量或流动速度为未知的流动。压力入口条件还可以用于处理自由边界问题。


压力入口边界的设置对话框如附图2-4,其中第一项的表压强与绝对压强、操作压强有如下的关系   

                               
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2.jpg
附图2-4 压力入口边界设置对话框
另外还应注意,这里给出的表压强的大小,是入口边界上的总压。对于不可压缩流动:
3.gif
对于可压缩流动,有:
4.gif

压力入口条件需要输入的参数有总压、总温、流动方向、静压、湍流量(用于湍流计算)、辐射参数(考虑辐射)、化学组分质量分数(考虑化学组分)、混合分数及其方差(PDF燃烧模型)progress variable(预混燃烧计算)、离散相边界条件(稀疏相计算)及第二相体积分数(多相计算)等。

     (3)质量入口(mess-flow-inlet):给出入口边界上的质量流量。

质量入口边界条件主要用于可压缩流动;对于不可压缩流动,由于密度是常数,可以用速度入口条件。


质量入口条件包括两种:质量流量和质量通量。质量流量是单位时间内通过进口总面积的质量。质量通量是单位时间单位面积内通过的质量。如果是二维轴对称问题,质量流量是单位时间内通过2π弧度的质量,而质量通量是通过单位时间内通过1弧度的质量。


给定入口边界上的质量流量,此时局部进口总压是变化的,用以调节速度,从而达到给定的流量,这使得计算的收敛速度变慢。所以,如果压力边界条件和质量边界条件都适用时,应优先选择用压力入口边界条件。对于不可压速流动,由于密度是常数,可以选择用速度进口边界条件。

     (4)压力出口(pressure-outlet):给定流动出口边界上的静压。

对于有回流的出口,该边界条件比outflow边界条件更容易收敛。


给定出口边界上的静压强(表压强)。该边界条件只能用于模拟亚音速流动。如果当地速度已经超过音速,该压力在计算过程中就不采用了。压力根据内部流动计算结果给定。其他量都是根据内部流动外推出边界条件。该边界条件可以处理出口有回流问题,合理的给定出口回流条件,有利于解决有回流出口问题的收敛困难问题。


出口回流条件需要给定:回流总温(如果有能量方程)、湍流参数(湍流计算)、回流组分质量分数(有限速率模型模拟组分输运)、混合物质量分数及其方差(PDF计算燃烧)。如果有回流出现,给定的表压将视为总压,所以不必给出回流压力。回流流动方向与出口边界垂直。


在出口压力边界条件给定中,需要给定出口静压(表压)。当然,该压力只用于亚音速计算。如果局部变成超音速,则根据前面来流条件外推出口边界条件。需要特别指出的是,这里的压力是相对于前面给定的工作压力。

     (5)无穷远压力边界(pressure-far-field):该边界条件用于可压缩流动。

如果知道来流的静压和马赫数,FLUENT提供了无穷远压力边界条件来模拟该类问题。该边界条件适用于用理想气体定律计算密度的问题。为了满足无穷远压力边界条件,需要把边界放到我们关心区域足够远的地方。


给定边界静压和温度及马赫数。可以是亚音速、跨音速或者超音速。并且需要给定流动方向,如果有需要还必须给定湍流量等参数。


无穷远压力边界条件是一种不反射边界条件。

     (6)自由出流(outflow):对于出流边界上的压力或速度均为未知的情形,可以选择自由出流边界条件。

这类边界条件的特点是不需要给定出口条件(除非是计算分离质量流、辐射换热或者包括颗粒稀疏相问题)。出口条件都是通过FLUENT内部计算得到。但并不是所有问题都适合,如下列情况,就不能用出流边界条件:


①包含压力进口条件;②可压缩流动问题:⑧有密度变化的非稳定流动问题(即使是不可压缩流动)


用出流边界条件时,所有变量在出口处扩散通量为零。即出口平面从前面的结果计算得到,并且对上游没有影响。计算时,如果出口截面通道大小没有变化,采用完全发展流动假设。当然,在径向允许有梯度存在,只是假定在垂直出口面方向上扩散通量为零。

     (7)进口通风(inlet vent):进口通风边界条件需要给定入口损失系数、流动方向和进口环境总压和总温。

对于进口通风模型,假定进口风扇无限薄,通风压降正比于流体动压头和用户提供的损失系数。假定ρ是流体密度,KL是无量纲损失系数,则压降为:

5.gif
其中:v是与通风方向垂直的速度分量;Δp是流动方向上的压降。
     (8)进口风扇(intakefan):进口风扇边界条件需要给定压降、流动方向和环境总压和总温。

假定进口风扇无限薄,并且有不连续的压力升高,压力升高量是通过风扇速度的函数。如果是反向流动,风扇可以看成是通风出口,并且损失系数为1


压力阶跃可以是常数,或者是流动方向垂直方向上速度分量的函数形式。

     (9)出口通风(outletvent)

出口通风边界条件用于模拟出口通风情况,并给定一个损失系数以及环境(出口)压力和温度。排出风扇给定损失系数和环境静压和静温。


出口通风边界条件需要给定如下参数:静压、回流条件、辐射参数、离散相边界条件、损失系数。

     (10)排气扇(exhaustfan):排风扇给定压降,环境静压。

排气扇边界条件用于模拟外部排气扇,给定一个压升和环境压力。


假定排气扇无限薄,并且流体通过排气扇的压升是流体速度的函数。

     (11)对称边界(symmetry):对称边界条件适用于流动及传热场是对称的情形。

在对称轴或者对称平面(如附图2-5)上,既无质量的交换,也无热量等其他物理量的交换,因此垂直于对称轴或者对称平面的速度分量为零。在对称轴或者对称平面上,所有物理量在其垂直方向上的梯度为零。因此在对称边界上,垂直于边界的速度分量为零,任何量的梯度也为零。

计算中不需要给定任何参数,只需要确定合理的对称位置。该边界条件可用于黏性流中运动边界处理。
6.jpg
附图2-5 对称面示意图
     (12)周期性边界(periodic)。见附图2-6
如果我们关心的流动,其几何边界,流动和换热是周期性重复的,那么可以采用周期性边界条件。FLUENT提供了两种类型:一类是流体经过周期性重复后没有压降(cyclic);另外一类有压降(periodic)
7.jpg
附图2-6 周期性边界
     (13)固壁边界(wall)

对于黏性流动问题,FLUENT默认设置是壁面无滑移条件。对于壁面有平移运动或者旋转运动时,可以指定壁面切向速度分量,也可以给出壁面切应力从而模拟壁面滑移。根据流动情况,可以计算壁面切应力和与流体换热情况。壁面热边界条件包括固定热通量、固定温度、对流换热系数、外部辐射换热、外部辐射换热与对流换热等。

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发表于 2008-9-18 17:02 | 显示全部楼层
我问下,里面有个压力进口边界我觉得有点问题,不知道我的理解是不是错了,"压力进口边界条件通常用于进口流量或流动速度为未知的流动"   .既然是适合流动速度未知的情况,为什么压力入口要设置总压呢?没有流动速度/速率怎么会知道总压呀.  请指教!
 楼主| 发表于 2008-9-18 17:09 | 显示全部楼层
原帖由 shenzh 于 2008-9-18 17:02 发表
我问下,里面有个压力进口边界我觉得有点问题,不知道我的理解是不是错了,"压力进口边界条件通常用于进口流量或流动速度为未知的流动"   .既然是适合流动速度未知的情况,为什么压力入口要设置总压呢?没有流动速度/速率 ...


一般情况下,实验或实际条件下测量总压更为方便
发表于 2008-9-19 14:45 | 显示全部楼层
回二楼的,比如水力机械,在只知道总水头的情况下,通过换算就能知道流道进口总压,而不用知道其具体的流速或流量。
发表于 2009-4-1 14:24 | 显示全部楼层
对于壁面有平移运动或者旋转运动时,可以指定壁面切向速度分量,也可以给出壁面切应力从而模拟壁面滑移。

对于上面所说的壁面滑移,像轴承中油膜的滑移能模拟吗?
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