【NFX CFD与流体力学】：CFD一般边界条件——进出口边界条件

进出口边界条件是流场分析中的基本操作设置，针对不同的计算类型或工程领域，使用具有针对性的设置类型和设置方法，会得到更符合实验结果和工程实际的仿真数据。

midas NFX是集结构、热、流体和优化设计于一体的有限元仿真分析软件，而midas NFX CFD则是其中计算流体动力学求解器高级模块。它采用独特的有限单元法（FEM）进行编程，在midas NFX 程序中搭配结构求解器组成一体化的图形用户界面（GUI），并提供全中文界面。是一款简单易学，易上手，并且实用的 CFD 软件。

又比如在同一个算例中设置质量流量进口与压力出口，算例的收敛性会较好，但同样的算例将进出口边界条件换成静压进口与静压出口组合，会导致计算发散；或者同样的算例，采用速度进口静压出口组合会比采用总压入口静压出口组合更快收敛。

midas NFX CFD提供了上述不同进口边界条件的选择方式。

在流场分析中，将给定计算流体域边界处的流动变量和热变量的值称为边界条件设置，这个步骤是CFD分析中的关键一环。

针对不考虑多相流动、传热分析的一般流体流动而言，一般只需要根据流体流动方向，设置其进口边界、出口边界和壁面边界。在midasNFX CFD 中，我们将上述的三种边界称为一般CFD边界。

对于有限元分析来说，其本质是求解微分方程。具体到流场分析中，就是求解N-S方程，对于三维问题N-S的方程个数为5个，但其未知量有11个，包括了ui（i=1,2,3）、p、以及6个雷诺应力的独立应力分量和T。

因此需要通过定义一定的条件和模型来封闭求解求解方程组。

模型包括了：比如雷诺应力模型、涡黏性模型、雷诺热流模型等等。

条件包括了初始条件和边界条件：比如压力、速度矢量、密度、黏性应力张量、体积力矢量、温度、热通量矢量、热源等等。

对于不可压缩理想流体定常流动，在重力是唯一体积力时的情况，沿流线方向有：

伯努利方程的物理意义表示，当速度增加，压强减少；当速度减小，压强增加，其中包含了位置水头表示了流体的重力势能、压力水头表示了流体的压力势能，速度水头表示了流体的动能。当我们不考虑整个流场系统内的能量损失时，可以认为这个系统内部的机械能是守恒的。

因此当我们去求流场中任意一点位置的速度和压力的时候，其实从另一种角度看，伯努利方程说，压力对流体所做的功等于流体动能的改变。给你一个不可压缩的、无粘性流体的流动场，你将可以找出那个流动场的压强场。

4、NFX中的进口边界条件

入口边界条件定义了流体进入计算域的条件。

在实际计算过程中，由于水体模型往往只会截取整个流动系统中的一部分，因此该值往往只是一个理想值，更加贴近实验结果或工程实际的进入边界条件。

NFX提供的进口边界条件类型：

（1）速度入口：指定流体流进入口的流体速度，在参考目标中可以选择速度进入流体域入口的方向。

（2）压力入口：指定流体流进入口的流体压力，该压力为总压。

（3）质量流入口：指定流体流进入口的质量流速，在不可压缩计算中，质量流速入口相当于速度入口；在可压缩计算中，应结合实际情况考虑使用质量流入口。

5、NFX中的出口边界条件

出口边界条件定义了流体流出计算域的条件。良好的出口条件定义可以帮助计算更快的收敛，并且取得更加准确计算结果。

在设置出口边界条件时，如果计算域取得足够长，且出口与大气相同，往往可以设置出口压力边界为0来实现，但如果计算域取得相当小，流体流动在边界出口没有完全发展，则应慎重取值。

NFX提供的进口边界条件类型：

压力出口：指定流体流出计算域的压力，该处压力为静压力，当流体流经该边界时会自动更改为与出口端相同的条件。静压出口只适合亚音速流动。（取合理计算域范围或适当延长出口段）

无变化：该边界条件为第二类边界条件，即诺依曼边界条件，表示出口边界处的流体速度的变化率为零，当在回流条件下使用时，计算结果是发散的。

回流控制：当选择出口压力边界条件时，可定义流入出口端的流体属性（温度，组分浓度，多相体积分数）

6、不同边界条件的组合类型

• 收敛性较好，精度较高：

速度进口，静压出口/质量流进口，静压出口

总压进口，速度出口

• 不易收敛：

总压进口，静压出口

速度进口，速度出口（参考压力）

• 非常容易发散：

静压进口，静压出口

本文部分图片来源于网络，侵删！

相关文章，在仿真秀官网搜索：

【NFX CFD与流体力学】：CFD材料——可压缩材料和不可压缩材料

【NFX CFD与流体力学】：流体力学基本概念——从粘性到边界层与雷诺数