Fluent边界｜04 质量流量入口

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了质量流量入口边界条件在流体力学计算中的应用。质量流量入口边界条件允许入口总压随计算求解结果而发生变化，适用于不可压缩流动与可压缩流动。在超声速或跨声速流动时可能会发生阻塞现象，此时不建议使用质量入口边界条件。质量流量入口边界条件可以通过指定一个离开流体域的方向的方式来作为出口。使用质量流量入口时，入口边界的总压会随计算求解而发生变化，这可能会导致收敛变慢。若入口可以选择使用压力入口或质量流量入口，则优先使用压力入口。质量流量入口边界条件设置对话框包括指定入口质量流量等系列参数。

当入口流量信息已知，而压力信息未知时，可以使用质量流量入口（Mass-Flow Inlet）。质量流量入口与速度入口类似，其允许入口总压随计算求解结果而发生变化。质量流量入口边界适用于不可压缩流动与可压缩流动。

注意：在对可压缩流体内流场进行计算时，使用质量质量入口要格外小心。若流道完全阻塞且没有辅助流道溢流时，质量流量入口边界会导致数值计算不稳定，此时不建议使用质量入口边界条件。这种情况下应当切换到压力入口边界条件。在超声速或跨声速流动时可能会发生阻塞现象。

当匹配入口质量流量比匹配总压更重要时通常采用质量流量入口。例如，一个小的冷却射流以固定的质量流量汇入主流，而主流流速主要由一个不同的压力进出口条件来控制时，此时应该用质量流量入口来作为射流入口。质量流量入口边界条件也可以通过指定一个离开流体域的方向的方式来作为出口。

注：并不建议将质量流量入口通过指定方向的方式来作为流动出口，这种情况下应该使用Mass-Flow Outlet边界。

1 使用限制

流量入口边界条件的使用限制：

• 使用质量流量入口时，入口边界的总压会随计算求解而发生变化，这可能会导致收敛变慢。若入口可以选择使用压力入口或质量流量入口，则优先使用压力入口。
• 不可压缩流动没有必要使用质量流量入口，因为当密度为常数时，此时建议将质量流量入口换算为速度入口。

2 边界设置

质量流量入口边界条件设置对话框如图所示。

质量流量入口设置对话框

设置参数包括：

• 参考系类型
• 速度值或速度分量
• 静压
• 温度（能量方程）
• 出口表压（密度基求解器计算）
• 湍流参数（湍流模型）
• 辐射参数（辐射模型）
• 化学组分质量分数或摩尔分数（组分输运模型）
• 混合分数及variance（非预混或部分预混燃烧模型）
• 进程变量（预混或部分预混燃烧模型）
• 离散相边界（DPM模型）
• 多相流边界（多相流模型）
• acoustic wave model设置

2.1 指定入口质量流量

Fluent采用3种方式指定入口信息：Mass Flow Rate、Mass Flux以及Mass Flux with Average Mass Flux。

三种质量流量指定方式

• Mass Flow Rate：直接指定入口质量流量，单位kg/s
• Mass Flux：指定入口质量通量，单位kg/(m2-s)
• Mass Flux with Average Mass Flux：同时指定Mass Flux与Average Mass Flux，单位均为kg/(m2-s)

可以利用UDF宏DEFINE_PROFILE指定入口处的流量或通量。

注意：（1）利用UDF只能定义随时间变化的质量流量或通量，不能定义其随空间变化；（2）对于轴对称模型，质量流量值设置为为 弧度的值，而通量则设置为1弧度 的值。

用户在设定Mass Flux with Average Mass Flux时需要同时指定质量通量与平均质量通量，如图所示。

Mass Flux with Average Mass Flux

Mass Flux with Average Mass Flux方法常用于混合平面模型中。若mass-flow inlet边界用于混合平面，则用户无需指定质量通量或质量流量，此时可以保持质量流量为默认值1。当用户在创建混合平面之后，ANSYS Fluent会自动在质量流量入口对话框中选择Mass Flux with Average Mass Flux方法，且设置平均质量通量为上游区域计算得到的通量值。这将确保上游区域和下游(质量流入口)区域之间质量守恒。

2.2 定义总温

当激活了能量方程后，流量入口需要指定边界总温，如下图所示。

入口总温设置

• 对于不可压缩流动，入口总温被当做静温
• 对于Mixture多相流模型，如果入口边界同时包含可压缩与不可压缩相，则该边界设定的总温被视作静温；若边界仅有可压缩相，则设定的总温依然被当做总温
• 对于VOF多相流模型，若边界为可压缩相，则设定的总温被当做总温，否则视为静温
• 对于Eulerian多相流模型，若边界同时允许可压缩与不可压缩相，则温度被当做总温还是静温，取决于相是否可被压缩

2.3 设置静压

质量流量入口设定的静压值（Supersonic/Initial Gauge Pressure）主要用于超声速流动或想要将该边界用于初始化时。

当流动为亚音速时，对话框中设定的静压值被忽略。

指定入口静压

3 质量流量入口边界计算

当采用质量流边界入口条件时，软件会计算该边界上每个网格面的速度，并利用该速度计算其他所有与之相关求解变量进入计算域的通量。在每次求解迭代过程中，速度会被重新计算以维持指定的质量流量。

为了计算速度，用户需要输入质量流量、流动方向、静压以及总温。

有两种指定质量流量的方式。第一种是指定入口总的质量流量；第二种方式指定质量通量（单位面积的质量流量，Mass Flux）。若用户指定了总质量流量，则Fluent会将其转化为均匀的质量通量：

若使用mass flux选项直接指定边界质量通量，则可以使用profile文件或UDF将质量通量指定为随时间的变化量。

一旦确定了给定边界面上的，此时为了求得法向速度，需要先计算得到边界面上流体的密度。密度的获得方式取决于流体是否被当成理想气体。

若流体被当做理想气体（ideal gas），则需要利用静温与静压计算密度：

若入口为超声速，则利用边界条件中设置的静压值作为入口静压值。若入口为亚音速，则入口静压值利用计算域内的压力值通过外插得到。

入口静压值通过总焓计算得到，总焓通过边界条件中设定的总温计算得到。总焓的计算方式为：

式中速度通过质量流量以及用户指定的方向向量计算得到。

当流体不可压缩时，静温等于总温，密度恒定，入口速度通过质量流量除以面积计算得到。