Fluent理论基础_边界条件

----图文教程----

在Fluent分析中边界条件的设定是非常重要的，可对Fluent中的边界条件进行简易分类为进出口边界条件、壁面条件、内部单元边界、内部表面边界等；

主要内容如下：

▉ 边界条件内容

▉ 边界条件作用

▉ 边界条件设定基本原则

▉ 进出口边界条件解析

▉ 壁面条件

▉ 内部单元边界

▉ 内部表面边界

▉ Interface、interior、internal

▉ 边界条件内容

□ 边界条件的内容主要有_

✦定义边界条件的位置信息(如进口、固体壁面、对称位置面)；

✦确定边界上的各种参数信息；

✦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；

✦边界条件的设定会直接影响求解过程和所得到的结果；

▉ 边界条件作用

□ 边界条件是数学模型中必需的部分，指引并限制流体的运动；

✦区域是单元(流体或固体)和单元边界(流场边界或内部面)的集 合；

✦内部面可以从单元边界自动产生，比如固体域和流体域连接处的wall会自动生成wall_shadow；

▉ 边界条件设定基本原则

✦设定在进出口时可以有利于收敛；

✦在垂直于边界上不应该存在很大的参数梯度；

✦减小边界附近的网格扭曲度，否则会导致计算早起误差过大；

▉ 进出口边界条件

进出口边界条件包括：压力进口(pressure-inlet)、速度进口(velocity-inlet)、质量进口(mass-flow-inlet)、进风口(inlet-vent)、进气扇(intake-fan)、压力出口(pressure-outlet)、压力远场(pressure-far-field)、出风口(outlet-vent)、排气扇(exhaust-fan)，自由出口(outflow)

◆ 压力进口(pressure-inlet)

用来定义流动入口边界的总压和其它标量，对计算可压和不可压问题都适合。压力进口边界条件通常用于不知道进口流率或流动速度时候的流动，这类流动在工程中常见，如浮力驱动的流动问题。压力进口条件还可以用于处理外部或者非受限流动的自由边界。对于压力入口边界条件你需要输入如下信息：

l 总压:Total (stagnation) pressure；

l 总温:Total (stagnation) temperature；

l 流动方向:Flow direction；

l 静压:Static pressure；

l 湍流参数(用于湍流计算):Turbulence parameters (for turbulent calculations)

l 辐射参数(考虑辐射):Radiation parameters (for calculations using the P-1 model, the DTRM, the DOmodel, or the surface-to-surface model)；

l 化学组分质量分数(考虑化学组分):Chemical species mass fractions (for species calculations)；

l 混合分数及其方差(用PDF燃烧模型):；Mixture fraction and variance (for non-premixed or partially premixed combustion calculations)；

◆ 速度进口(velocity-inlet)

用于定义流动入口边界的速度和计算需要的所有标量。该边界条件适用于不可压缩流动问题，对可压缩问题不适用，否则该入口边界条件会使入口处的总温或总压有一定的波动。

边界条件设置的主要输入量如图示，包括：

l 速度大小，方向或各速度分量:Velocity magnitude and direction or velocity components；

l 周向速度(轴对称有旋流动):Swirl velocity (for 2D axisymmetric problems with swirl)；

l 静温(考虑能量):Temperature (for energy calculations)；

l 出流表压(对于耦合求解器):Outflow gauge pressure (for calculations with the coupled solvers)；

l 湍流参数(考虑湍流计算):Turbulence parameters (for turbulent calculations)；

◆ 质量进口(mass-flow-inlet）)

用于给定入口边界上的质量流量。主要用于可压缩流动问题，对于不可压缩问题，由于密度是常数，可以使用速度入口条件。

质量进口条件包括两种：质量流率和质量通量。

质量流率是单位时间内通过进口总面积的质量。

质量通量是单位时间单位面积内通过进口的质量。

给定进口边界上的质量流量，此时局部进口总压是变化的，用以调节速度，从而达到给定的流量，这使得计算的收敛速度变慢。所以，如果压力边界条件和质量边界条件都适合流动时，优先选择用压力进口条件。对于不可压速流动，由于密度是常数，可以选择用速度进口边界条件。

◆ 压力出口(pressure-outlet)

给定出口的静压(表压)，在回流中还包括其它的标量。当出现回流时，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。

出口回流条件需要给定：出口静压，回流总温(如果有能量方程)，湍流参数(湍流计算)，回流组分质量分数(有限速率模型模拟组分输运)，混合物质量分数及其方差(PDF计算燃烧)。如果有回流出现，给的表压将视为总压，所以不必给出回流压力。回流流动方向与出口边界垂直。

该边界条件只能用于模拟亚音速流动，如果当地速度已经超过音速，则该压力在计算过程中就不采用了。

◆ 压力远场(pressure-far-field)

用于模拟无穷远处的自由可压缩流动，该流动的自由流马赫数以及静态条件已知。

◆ 自由出口(outflow)

如果我们在解决流动问题之前，不能知道出口流速和压力的详细情况，在流动出口是完全发展时，这时候可以选择该边界条件，因为Outflow边界条件假定除了压力之外的所有流动变量正法向梯度为零。

这类边界条件的特点是不需要给定出口条件（除非是计算分离质量流，辐射换热或者包括颗粒稀疏相问题）；

□ 存在下列情况，就不能用该边界条件：

✦包含压力进口(pressure-inlet)条件

✦可压缩流动问题

✦有密度变化的非稳定流动问题（即使是不可压缩流动）

✦对于最终结果存在回流的物理问题，使用该边界条件很难收敛；

◆ 进风口(inlet-vent)

用于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。

对于进风口模型，假定进口风扇无限薄，通风压降正比于流体动压头和用户提供的损失系数。假定р是流体密度，K_L是无量纲损失系数，则压降为：

       

其中：

_是与通风方向垂直的速度分量；

_          是流动方向上的压降;        

◆ 进气扇(intake-fan)

用于模拟外部进气扇，它具有指定的压降、流动方向以及周围（进口）总压和总温。

假定进口风扇无限薄，并且有不连续的压力升高，压力升高量是通过风扇速度的函数。如果是反向流动，风扇可以看成是通风出口，并且损失系数为1。

压力阶跃可以是常数，或者是流动方向垂直方向上速度分量的函数形式。

◆ 出风口(outlet-vent)

用于模拟出口通风情况，并给定一个损失系数和环境（出口）压力和温度。

◆ 排气扇(exhaust-fan)

用于模拟外部排气扇，给定一个压升和环境压力。

假定排气扇无限薄，并且流体通过排气扇的压升是流体速度的函数。

▉ 壁面边界条件

壁面条件包括：壁面(wall)、对称(symmetry)、周期(periodic)、轴(axis)；

◆ 壁面(wall)

壁面边界条件用于限制流体和固体区域。

在粘性流动中，壁面处默认为无滑移，但是你也可以根据壁面边界区域的平动或者转动来指定切向速度分量，或者通过指定剪切来模拟滑移壁面。在当地流场的详细资料基础上可以计算出流体和壁面之间的剪应力和热传导。

◆ 对称边界条件(symmetry)、轴(axis)

应用于计算的物理区域，或者流动及传热场是对称的情况。

在对称轴或者对称平面上，没有对流通量，因此垂直于对称轴或者对称平面的速度分量为零。在对称轴或者对称平面上，没有扩散通量，即垂直方向上的梯度为零。因此在对称边界上，垂直边界的速度分量为零，任何量的梯度为零。

计算中不需要给定任何参数，只需要确定合理的对称位置。该边界条件可以用于粘性流中运动边界处理。

◆ 周期(periodic)

计算域为周期性运动区域；

可以减小计算量；

□ 周期性边界分为周期性旋转和周期性平动两种_

▊周期性旋转周期面上的；

▊周期性平动在周期面上允许有限的，模拟充分发展流；

内部单元边界包括：流体(Fluid)、固体(Solid)；

▉ 内部表面边界

内部表面边界包括：风扇(fan)、散热器(radiator)、多孔跳跃(porous-jump)、壁面(wall)、内部界面(interface/interior)、重叠边界(overset)；

◆ 风扇(fan)

风扇边界为内部双面集总边界(即边界两侧为同一计算域)，需要定义风扇性能参数；

◆ 多孔跳跃(porous-jump)

多孔阶跃边界，通常需要设置多孔介质的厚度和压力阶跃系数；

◆ 散热器(radiator)

需要定义热损失系数和传热效率；

□ Interface、interior、internal

✦Interface：主要用于处理多区域计算模型中不同区域界面间的数据传递；CFD计算中interface通常是成对出现的，计算结果数据则通过interface进行插值传递；使用interface并不要求边界上的点一一对应；之前分享的案例中就有用到interface的，有需要可自行查阅；是边界类型的一种，是计算域的边界，属于单面边界；

✦Interior：值内部面，通常出现在单计算域内，属于双面边界；CFD计算中流体可以自由通过该边界，可以理解为不存在，多用于CFD后处理中；

✦Internal：与Interior同属于内部边界，不同之处在于，当清除网格时，所有的Interior区域会被删除，但是Internal区域会被保留；在最终网格传递至求解器后，所有的Internal区域会自动转化为Interior类型；

【注意】

□ 有时也将边界条件分为外部边界、内部边界、域_

✦外部边界:也称单面边界，位于模型的几何边界位置，仅一侧存在体单元；

✦内部边界:也称双面边界，由内部面转化而来，即边界两侧均存在体单元；

✦域:包括Fluid、Solid、Porous media；

✦interface通常是成对出现的，一侧存在体单元与其连接，另一侧也有体单元，但是与其节点并不统一(不连接)，所以interface属于单面边界；

❖本篇章简要整理了Fluent的边界条件，内容相对不深，主要是便于新手学习理解或收藏查阅之用；

❖本篇章主要针对边界条件相关理论进行了整理，其中涉及到很多关于压力的内容，限于篇幅并没有做过多介绍，对于压力的整理会在之后篇章另行分享；