从网格层面图解说CFD仿真的六类边界条件
在计算流体动力学问题中，几乎所有问题都是在初始条件和边界条件的限制下定义的。在构建交错网格时，通常通过在物理边界处添加一个额外的节点来实现边界条件。系统入口处的节点被用来指定入口条件，物理边界可以与标量控制体积边界重合。这使得引入边界条件并实现边界附近节点的离散方程成为可能，只需进行小的修改。
图1 CFD中的网格组成
入口条件 对称性条件 物理边界条件 循环条件 压力条件 出口条件
一、入口边界条件
考虑垂直于x方向的入口情况：
对于第一个u、v、φ单元格，所有连接到邻近节点的链路都是活动的，因此不需要对离散方程进行任何修改。
在一个入口节点处，绝对压力被固定，并将该节点处的压力校正设为零。
通常，计算流体动力学代码会根据1%到6%之间的湍流强度和长度尺度，使用近似公式估计k和ε。
图2 入口边界处的u速度单元格
图3 入口边界处的v速度单元格
图4 入口边界处的压力校正单元格
图5 入口边界处的标量单元格
二、对称性边界条件
如果边界上的流动为零：法向速度被设置为零。
边界上的标量通量为零：在这类情况下，紧邻求解域的属性值被视为域内最近节点的值。
三、物理边界条件
考虑与x方向平行的实体墙的情况：
所做的假设和考虑的关系包括：
近墙流动被认为是层流，速度随离墙距离线性变化。
无滑移条件：u = v = 0。
在这种情况下，我们应用的是“壁面函数”，而不是网格点。
湍流：𝑦+>11.63，在湍流边界层的对数律区域。
层流：𝑦+<11.63
应用壁面函数的重要点：
沿墙平行方向的速度是恒定的，仅在垂直于墙的方向变化。
流动方向上没有压力梯度。
高雷诺数。
壁面上没有化学反应。
图6 物理边界处的u速度单元格
图7 物理边界处的v单元格，j=3
图8 物理边界处的v单元格，j=NJ
图9 物理边界处的标量单元格
四、循环边界条件
我们取离开出口循环边界的流量等于进入入口循环边界的流量。
入口平面上游和下游节点的每个变量的值等于出口平面上游和下游节点的值。
五、压力边界条件
这些条件用于我们不知道流动分布的确切细节，但已知边界的压力值的情况。
例如：物体周围的外部流动、具有多个出口的内部流动、浮力驱动的流动、自由表面流动等。
在节点处，压力校正被设为零。
图10 入口边界处的压力校正单元格（p'-cell）
图11 出口边界处的压力校正单元格（p'-cell）
六、出口边界条件
考虑垂直于x方向的出口情况 -
在完全发展的流动中，流动方向不发生变化，除压力外所有变量的梯度在流动方向上均为零。
方程被求解到NI-1单元格，域外的流动变量值通过从内部通过外推确定，假设出口平面处梯度为零。
出口平面速度与连续性校正。
图12 出口边界处的控制体积
图13 出口边界处的v控制体积
图14 出口边界处的压力校正单元格
图15 出口边界处的标量单元格
