关于FLUENT模拟计算的几点见解

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1 前言

对于很多初学者而言，FLUENT软件的几个概念以及常用边界条件的设定非常容易混淆。比如：软件里面有静压（static pressure）、动压（dynamic pressure）、表压（gauge pressure）、总压（total pressure）、绝对压力（absolute pressure）以及参考压力亦即操作压力（operating pressure）；常用的边界条件有速度入口（velocity inlet）、压力入口（pressure inlet）、自由流出口（outflow）、压力出口（pressure outlet）。以下的论述都是把专业的术语通俗化，要想写论文或者报告的话，还是需要用专业术语来解释（可以查看官方帮助文档），这里仅仅用通俗的描述，便于初学者的理解。

首先关于压力，前面所述的几个压力的意义以及相互之间的关系为：静压是我们实际仪表测量的压力对象，我们经常讨论的压力就是静压；动压不是一个真实的压力，它体现的是流体流动过程中产生的动力效果，用公式p_d=0.5ρv²计算，可以看到动压与流体的密度以及流速相关，对于不可压流，动压与流速应该是完全对应的关系（分布趋势完全一样）。表压是FLUENT软件具有的特殊压力，也就是相对压力等同于仪表测压的读数。软件计算所用的压力全部都是表压。绝对压力就是实际意义中得绝对压力，其值等于表压加上参考压力。总压等于静压与动压之和，也是一个相对压力（表压）。需要注意的是，绝对压力等于静压与参考压力之和，实际关心的压力也是仪表测量的压力，通常并不包括动压。参考压力在大多数情况下都是大气压力，其值以及位置会影响压力的分布值，但是对压差没有影响，就是说从入口到出口的压力降不受参考压力影响，但是入口到出口具体压力值受影响。这样说可能有点模糊，在下面的计算实例中会详细讨论。

其次，几个常用的边界条件。速度入口、压力入口、压力出口很好理解，和实际的情况对应就是，实际已知什么就可以采用什么边界条件。自由流出口边界条件输入只有一个流出比重，代表流体从该出口流出去的占比，只有一个出口的话其值肯定就是1，因为所有流体只能通过这个出口流出。自由流出口的速度压力温度等物理量全部由软件计算得出。

下面，以一个计算实例讨论一下这些概念，以便更好地理解。

2 问题描述

计算模型如图所示，二维轴对称模型模拟实际的圆管以节省计算资源，我们想模拟计算出管道里面的流场分布情况，工质为常温水。这里特别指出，坐标原点在入口左下角位置。

四边形网格，壁面进行细化，网格如下

情形1：

已知入口的速度为1m/s，同时入口的绝对压力为101325（一个大气压），如前所述，这里的压力特指静压，后面不再冗述，出口压力未知。在这种情形下，毋庸置疑可以选择速度入口和自由流出口边界条件。雷诺数约为200000，湍流流动，选择常用的k-epsilon湍流模型，湍流边界不做讨论，选用默认值。参考压力为101325，位置选用默认，先不做修改。

计算结果：

静压分布云图以及管道中心线压力分布如下，可以看出从入口到出口，压力逐渐降低，中间管道颈缩压力下降更多（常识不解释）。沿流动方向，压力下降，这是实际物理表现。

再看看动压分布，动压在颈缩位置最高，前面已经说过，动压和速度的平方成正比关系。

速度分布如下，与前面的动压分布图对比可以看出，动压分布和速度分布是一致的。具体的数值关系也很好查，以入口为例，入口的平均动压为498.9758Pa，平均速度为已知的1m/s，流体密度998.2kg/m³，计算0.5×998.2×1²=499.1Pa，这个值就是动压大小，数值计算的误差几乎忽略。

检查动压、静压和总压的关系，同样以入口为例。读取入口的静压平均静压为3.7207675Pa，入口总压为502.69656Pa，入口平均动压前面已读取为498.9758Pa，三者关系为3.7207675+498.9758=502.6965675，即总压=静压+动压。

检查入口的绝对压力为101328.72Pa，前面设定参考压力为101325Pa，两者之间的数值关系为101328.72-101325=3.72Pa，FLUENT所有的压力默认为表压（gauge pressure），因此可以看出绝对压力=表压+参考压力。注意到，绝对压力并没有把动压计算在内，也就是我们前面所说的，动压不是真实的压力对象。

现在问题来了，我把参考压力的位置放在了入口位置，这种情况下，读取出口的压力为-161.99072Pa。如果我把参考压力位置放在出口呢？重新进行计算，中心线静压的分布如下，可以看出压力的分布趋势与之前把参考压力放在入口时一模一样，只是具体的数值发生变化。这是进出口的压力分别为167.35623Pa和1.6447444Pa，总压降为165.711Pa。之前的压降为3.7207675-（-161.99072）=165.711Pa，两者完全一致。也就是前面所述的，趋势一致，具体数值不一样。如果研究的压力对象为压降，那么参考压力放在哪个位置都没有影响。如果我要的是真实的绝对压力或者相对压力数值，要和试验测量值对比呢。前面已知入口的速度为1m/s同时知道绝对压力为101325。因此，计算结果的绝对压力应该是这个值。前面两种情况入口的绝对压力计算值分别为101328.72Pa和101492.35Pa。可以看出，把参考压力位置放在入口是正确的，实际上入口的静压值3.7207675Pa近乎为零，应该是数值误差可以忽略不计了。

因此可以看出，在同时已知速度和压力的情况下，为了获得真实的压力分布，应该把参考压力放在相应的位置，参考压力值就设定为该实际值。这里管道入口为101325Pa，就设定为该值，类似地设置成其他的实际值。和实际的物理情况对比可以很好地理解。另外，如果知道入口速度，又知道出口压力，那么出口边界就设定为压力出口，设定相应的压力值（表压）就可以了，若想输入绝对压力，那么把参考压力设为0即可。这时候，参考压力的位置无所谓了，在已知压力边界的情况下，其他任何位置的压力都是基于此压力以及流动速度推算出来的，参考压力仅仅成了用于计算绝对压力的参考标尺。可能有人会问了，速度入口边界输入界面不是有一个压力输入吗？如下图，这里的压力此时不起任何作用（读者可以试试），只在压力入口边界条件计算初始化速度时候有用（后面详细说明）。同时，可以想象一下，若同时已知入口速度、入口压力、出口压力，这就相当于过定义了，不可能三个已知同时作为输入，这样方程是无解的。

总结：

1）FLUENT采用的压力值均为表压（相对压力），若要使用绝对压力，将参考压力设为0即可。这里需要指出的是，对于一些复杂的问题如可压流等可能不能这样设定。

2）当已知入口速度和压力时，为了获得真实的压力数值分布，可将参考压力位置放在入口处（即已知的压力边界处），将参考压力值设定为已知的压力即可。

3）当已知入口速度和出口压力时，出口边界选择压力出口，压力值设定为已知的压力大小，参考压力的位置可以是任意的。

情形2：

若已知管道入口、出口的压力大小，想知道内部速度情况呢？这其实是情形1的计算结果，以该计算结果作为边界计算的速度分布和情形1的已知条件应该是一样的。根据之前的计算结果，管道入口的总压力（包括动压和静压）为502.69656Pa，出口的压力（静）为-161.99072Pa。如下图这里不知道大家能否理解，入口的压力输入为总压力（gauge total pressure），而出口为静压力（gauge pressure）。这样才能推算出速度情况，因此实际情况下要已知入口总压才行。入口压力并不是仪表测得的静压力，这一点需要特别注意，很少人有关注到这一点，以为出入口压力就是测得的压力。下面测试计算一下就知道了。

管道的流速分布如下，可以看出和情形1分布一致，管道入口的平均速度为0.97108722m/s，几乎接近1m/s，入口的平均静压为33.006542Pa，大于情形1的情况，入口总压一定（为输入值），静压增大，因此造成入口动压减小，亦即速度减小了。这应该是计算误差造成的，，入口压力如果采用静压值（也就是3.7207675Pa），入口的平均速度则为0.46694335m/s，与实际情况大相径庭了。

现在讨论之前提到的速度入口边界条件输入界面中的压力输入Supersonic/Initial Gauge Pressure，之前说过，这个输入影响压力边界条件的初始化速度值。我们知道，压力入口为总压力，包括了动压和静压，这里静压的意义对应于Supersonic/Initial Gauge Pressure，但不是实际的静压值。Supersonic/Initial Gauge Pressure用于初始化流场，获得一个初始的速度。可以从软件中看到。初始化速度、Supersonic/Initial Gauge Pressure和输入的总压之间一定满足"总压=动压+静压"的关系。比如，用实际静压来初始化（compute from "inlet"），初始化速度应该为1m/s。如下图，初始化速度为0.9998756m/s，计算出的入口平均流速为0.97037083m/s。

现改变Supersonic/Initial Gauge Pressure，如改为200Pa，那么初始化速度为0.7787713m/s，计算得入口平均速度为0.95589429m/s。最极端的情况，改为502Pa，那么初始化压力几乎为0，计算得入口平均速度为0.95381904m/s。不同的Supersonic/Initial Gauge Pressure值对计算结果造成一定的误差，但是绝不是真实的静压值，同时也会对计算收敛速度造成较为明显的影响。但是我认为，如果已知入口的总压和静压，那么用这个值初始化流场是很不错的。