Fluent中如何考虑静水压力

本文描述在Fluent中考虑静水压力的问题。

静水压指的是当区域内填满流体时，由于流体重力作用而额外产生的压力，其值为：

其中    为流体密度；    为重力加速度；    为液位。10米水深产生的压力大约0.1MPa，多数情况下静水压力很小，计算过程中可以直接忽略掉，但如果流体的密度非常大，或者液位差异非常大，此时需要考虑附加的静水压力。

默认情况下，Fluent计算过程中不考虑静水压力。

1 测试模型

下面用一个简单的模型来测试Fleunt中如何设置才能考虑静水压力。

测试几何模型如下图所示，其为一个长度10 m，宽度1.5 m，厚度1.5 m的水槽。厚度方向对静水压没有贡献，因此采用二维模型进行模拟。

指定左侧为入口，右侧为出口，上下边界均为壁面。这里出口边界采用outflow，主要原因在于：如果使用Pressure outlet边界，指定的压力不利于对观察出口附近的静水压力。但压力出口并不会对静水压计算造成任何影响，有兴趣的话可以自行尝试。

采用50 mm的网格尺寸，生成下图所示的计算网格。

入口给定速度1 m/s，出口采用outflow边界，其他边界为壁面。流体介质为水，密度1000 kg/m3，动力粘度0.001 Pa.s。计算残差指定为1e-6。

2 不考虑重力加速度

首先不考虑重力加速度，仅仅指定物性参数和边界条件，进行计算。

计算得到的速度分布如下图所示。速度分布并没有什么问题。

 

压力分布如下图所示。从图中并未看出有任何静水压力。图中的静压反映的是流动阻力。

 

3 考虑重力加速度

指定重力加速度沿Y轴负方向，给定常数-9.81 m/s2。

 

得到的速度如下图所示，和不加重力并无任何区别。

 

得到的压力如下图所示，和不加重力加速度时的压力云图没有任何区别。

 

4 修改参考压力

前面的计算采用的是默认参考压力101325 Pa，这里将参考压力设置为0试试。

 

速度分布如下图所示，修改操作压力并不会改变速度分布。

 

压力分布如下图所示。修改操作压力的值并不会改变压力场的分布。但是如果想要看绝对压力的话，就不太对了（绝对压力当然不能为零）。主要是默认的参考压力位置为[0,0]，其处在入口边界上。

 

将参考压力点指定在出口位置，修改参考压力的位置为[10,0]，如下图所示。

 

此时计算得到的速度分布如下图所示，与前面的速度场完全一样。

 

压力场发生了变化，此时最小压力位于出口位置，入口位置压力变为了正值。最小值可以视作0 Pa，这里的-1.05e-3可以当做是计算误差。但其实这并不重要，Fluent只保证相对压力的正确性，绝对压力并不是求解器求解出来的。

 

修改操作压力无法得到静水压力。

5 修改操作密度

还能修改什么？似乎只剩下操作密度了。问题是操作密度修改成多少呢？

如下图所示，先设置操作密度为水的密度1000 kg/m3试试。

 

速度分布没有差异。

 

压力分布没有变化。

 

6 设置参考密度II

将操作密度设置为0，如下图所示。

 

将操作密度指定为0后导致计算收敛极为困难（上面的方法中没有对solution进行任何参数设置，采用的是默认参数，且均收敛到1e-6）。

里在Controls面板的Advanced...对话框中调整流动方程的类型为W-Cycle，并指定稳定方法为BCGSTAB。这里只是控制收敛和稳定性，按道理不会影响计算结果。

 

修改后计算能够残差能够下降到1e-6。

 

速度分布没有任何差异。

 

压力分布如下图所示，比较接近真相了。

 

从数量级上是对得上的，查看出口面上压力分布，如下图所示，可以看到为线性分布（壁面附近斜率有细微差异，可忽略）。

 

这个负压看着很别扭。将参考压力设置为101325Pa看看。

 

速度分布没有任何差异。

 

压力分布也没有任何差异。

 

出口面上压力分布也完全相同。

 

7 总结

因此想要在Fluent计算过程中考虑静水压力，需要进行如下设置：

• 开启重力加速度
• 指定操作密度为0

另外还有以下结论：

• 操作压力的设置不会影响速度场和相对压力场产生，理论上可以任意设置
• 操作压力的位置会对相对压力场产生数值上的影响

其实想要考虑静压压力，除了可以指定操作密度为零外，也可以通过添加动量源来实现。

（完）