Fluent 第7章 边界条件课件.ppt

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1、边界条件的设定 边界条件Why and Whatu为了获得物理问题（各种微分方程）的唯一解，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.u边界条件内容:n定义边界条件的位置信息 (如进口、固体壁面、对称位置面)n确定边界上的各种参数信息u边界条件的具体内容和计算中采用的物理模型、边界条件的类型密切相关.u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. 边界条件u边界条件的作用u设置边界条件n流场的入口和出口n壁面、重复周期边界条件n内部单元区域n内部单元边界 边界条件的作用u边界条件n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

2、分。u指定进入计算区域的通量：l质量 l动量l能量u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（流场边界或内部面）的集合。n内部面主要用于后处理。n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。n内部面只与流体区域有个而与固体区域无关。l湍流中的K.E. l湍流中的耗散率l组分质量分数outwallsin 边界的种类u axis 轴边界u exhaust-fan 排气扇面u inlet-vent 排气口u intake-fan 入口扇面u interface 界面u mass-flow-inlet 质量入口u outflow 流出u outlet-vent 出口u pr

3、essure-fat-field 压力远场u pressure-inlet 压力入口 u pressure-outlet 压力出口u symmetry 对称u velocity-inlet 速度入口u wall 壁面 基本的边界类型u外部面n一般: Pressure inlet, Pressure outletn不可压: Velocity inlet, Outflown可压: Mass flow inlet, Pressure far-fieldn特殊: Inlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fann其它: Wall, Symmetry, P

4、eriodic, Axisu单元、区域 n Fluid and Solidu相交面n Fan, Interior, Porous Jump, Radiator, Walls inlet outletwallinterior Orifice_plate and orifice_plate-shadow 边界条件定义u速度入口 流动入口边界的速度和标量。u压力入口 流动入口边界的总压和其它标量。u质量流动入口 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，因为当密度是常数时，速度入口边界条件就确定了质量流条件。u压力出口 流动出口的静压（在回流中还包括 其它的标量）。 当出现回流时

5、，使用压力出口边界条件来代替质量出 口条件常常有更好的收敛速度。u压力远场 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 指定了。这一边界类型只用于可压 流。 边界条件定义u质量出口 假定除了压力之外的所有流动变量正法 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 合于可压流计算。u进风口 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。u进气扇边界 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。u通风口 模拟通风口，它具有指定的损失系数以及周 围环境（排放处）的静压和静温。 u排气扇边界

6、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。 基本流程Gambit Boundary TypeFluid TypeFluent SolverSelect BoundarySet Parameters 边界条件的定义Solvern选择求解器n正对求解器选择不同的边界条件定义器 边界条件的定义Specify Typen选择边界对应的几何体l默认值：面n选择边界的类型.l鼠标直接选取.n对定义好的边界可以再操作 l更改、删除. 边界条件的定义Specify Typen选择边界对应的几何体l默认值：体n选择边界的类型.l鼠标直接选取.n对定义好的边界可以再操作 l更改、删除.

7、边界条件的定义Definen在Fluent中定义边界条件的具体值l各种边界条件的参数l可以重新定义边界类型 重新定义边界条件u一般边界条件在预处理软件中定义.u可以在Fluent中更改:Define Boundary Conditions.n选择要更改的几何体n从Type中选择新的类型. 给定边界条件参数u在 BC panels中直接赋值.n给选定的边界设定:l从Zone菜单中选择边界.l点击Set按钮n利用Copy按钮可以复制边界条件.u边界条件的内容可以存盘， 也可以读入.n file write-bc and file readu利用 UDFs and Profiles可以 定义复杂的边

8、界条件 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：n常用边界条件l Pressure inletl Pressure outletn不可压流 l Velocity inletl Outflown可压流l Mass flow inletl Pressure far-fieldn特殊情况l Inlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fan Velocity Inletu定义类型:n Magnitude, Normal to Boundaryn Componentsn Magnit

9、ude and Directionu默认值为均匀流动u适用于 incompressible flows.n Static pressure 相应分布. n Total pressure 同样n用于 compressible flows 将有可能导致非物理解.u速度设定为负值时，可以用来表示出口.n但是必须要保证流量平衡. 压力预处理u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 表示。u静压是热力学压力。n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。operatinggaugeabsolute ppp gauge pressure operating pressu

10、repressure leveloperating pressureabsolute pressure vacuum 压力公式u总压（滞止压力）用下面公式定义：n 1/2 v2为动压。u由理想气体定律密度由下面公式计算：n不可压流： n可压流：ptotal = pstatic + 1/2 v2 p RToperatingRTpabsolute 设置操作压力（ Operating Pressure）u对可压流：n将设置操作压力（ Operating Pressure）设为0。n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（ Operating Pressure）不起作用。u对不可

11、压流，使用理想气体定律计算密度：n在菜单Define Materials中选择incompressible-ideal-gas 。n将操作压力（ Operating Pressure）设为问题中压力的平均值。 Pressure Inlet (1)u参数确定:n Total Gauge Pressurel驱使流体运动的能量.n Static Gauge Pressurel超音速流动时静压; l亚音速时忽略l从该边界初始化时有用 n Total Temperaturel对于不可压流作为静温.n Inlet Flow Direction 21(1 )2total static kT T M 2 /(

12、 1), , 1(1 )2 k ktotal abs staticabs kp p M 221 vpp statictotal Incompressible flows:Compressible flows: Pressure Inlet (2)u注意的是 Gauge pressure 必须给定.n n Operating pressure 定义: Define Operating Conditionsu同时适用 compressible 和 incompressible flows.n Fluent 计算时采用 static pressure and velocity n通过压力面的通量由内

13、部条件和流动方向决定. operatinggaugeabsolute ppp Mass Flow Inletu参数确定:n (a) Mass Flow Rate or (b) Mass Fluxl (a) 给定恒定的流量l (b) 利用 profiles/UDF定义n Static Gauge Pressurel超音速有效l该边界初始化有效.n Total Temperature l对于不可压流动为静温.n Inlet Flow Directionu一般用于 compressible; 也可用于 incompressible flows.n Total pressure 由输入变量求得.n和

14、pressure inlet相比.收敛性差 Pressure Outletu给定 static gauge pressuren作为出口处的环境压力.n可以定义径向的压力分布.u Backflown收敛过程出现n最终结果如此.n方向是垂直于边界.u适用于 compressible 和 incompressible flows n在超音速条件下，忽略所给定的压力值.u可以被用来模拟自由流. Outflowu不需指定任何速度和压力信息.n由内部区域来传递信息.n边界上保持流量平衡.u在Outflow面上所有参数梯度为零n近似于充分发展流u适用于 incompressible flows. n不能和

15、Pressure Inlet合用; 入口只能是 velocity inlet.n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n不能模拟最终结果存在回流的物理问题. 其它的边界条件uPressure Far Fieldn模拟 ideal gas law下的流动.n通常给定 free-stream Mach number 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uInlet Vent/Intake Fann模拟风扇运动. n给定压力损失系数（压力降）以及环境参数 确定湍流参数u在入口（ inlet ）、出口（outlet)

16、、外场(far-field)有湍流时要求定义以下参数：l湍流动能 k uFLUENT中有四种方法指定湍流参数：n显示给出 k、 n给出湍流强度和长度尺度n给出湍流强度和粘性比n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： n涡轮的排气n Intensity = 20 %Length scale = 1 - 10 % of blade spanl湍流耗散率 n通过孔板和筛孔的下游流场n Intensity = 10 %Length scale = 孔筛的尺度n充分发展的管流n Intensity = 5 % Length scale = 水利直径确定湍流参数 Wall B

17、oundariesu速度：无滑移n切向速度和固壁面速度相等.n法向速度为零n可以定义壁面剪切力.u热边界:n几种不同的条件n包括定义壁面厚度. u定义运动的壁面. Symmetry and Axis BoundariesuSymmetry Boundaryn简化计算量.n不需任何参数.n计算域和几何形状必须对称:l对称面上法向速度为零l所有的变量法向梯度为零uAxis Boundary n模拟二维轴对称问题.n不需任何参数. symmetry planes Periodic Boundariesu减小计算量.u计算域为周期性运动区域.u周期性旋转:n周期面上p = 0.u周期性平动:n在周期面上允许有限的p . l模拟充分发展流.l在Gambit中预先 定义为 translational. Translationally periodic planes2D tube heat exchangerflow Rotationally periodic planes 区域定义: Fluidu Fluid zone = 求解的流体计算域.u确定Fluid material.u确定各种源项:n质量、运动、能量等u定义为多空介质 u定义旋转等周期性运动.u定义各种运动方式.