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52 第五章，边界条件第五章，边界条件 5-1, FLUENT 程序边界条件种类程序边界条件种类 FLUENT 的边界条件包括 1， 流动进、出口边界条件 2， 壁面，轴对称和周期性边界 3， Internal cell zones fluid, solid porous is a type of fluid zone 4， Internal face boundaryies fan, radiator, porous jump, wall, interior 5－－2，流动进口、出口边界条件，流动进口、出口边界条件 FLUENT 提供了 10 种类型的流动进、出口条件，它们分别是 进口 出口 壁面 orifice interior orifice_plate and orifice_plate-shadow 流体 Example Face and Cell zones associated with Pipe Flow through orifice plate 53 一般形式一般形式 可压缩流动可压缩流动 压力进口 质量进口 压力出口 压力远场 不可压缩流动不可压缩流动 特殊进出口条件特殊进出口条件 速度进口 进口通分，出口通风 自由流出 吸气风扇，排气风扇 1， 速度进口给出进口速度及需要计算的所有标量值 2， 压力进口给出进口的总压和其它需要计算的标量进口值 3， 质量流进口主要用于可压缩流动，给出进口的质量流量。对于不可压缩流动，没有必要 给出该边界条件，因为密度是常数，我们可以用速度进口条件。 4， 压力出口给定流动出口的静压。对于有回流的出口，该边界条件比 outflow 边界条件更 容易收敛。 5， 压力远场该边界条件只对可压缩流动适合。 6， outflow 该边界条件用以模拟在求解问题之前，无法知道出口速度或者压力；出口流动 符合完全发展条件，出口处，除了压力之外，其它参量梯度为零。该边界条件不适合可压 缩流动。 7， inlet vent进口风扇条件需要给定一个损失系数，流动方向和环境总压和总温。 8， intake fan进口风扇条件需要给定压降，流动方向和环境总压和总温。 9， out let vent排出风扇给定损失系数和环境静压和静温。 10, exhaust fan.排除风扇给定压降，环境静压。 5－－3 压力进口边界条件压力进口边界条件 压力进口边界条件通常用于给出流体进口的压力和流动的其它标量参数， 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。 压力边界条件需要表压输入。 5－1 Operating pressure 输入 Define-operating conditions operatinggaugeabsolute ppp 54 压力进口条件需要输入的参数总压，总温，流动方向，静压，湍流量（用于湍流计算） ， 辐射参数（考虑辐射） ，化学组分质量分数（考虑化学组分） ，混合分数及其方差（用 PDF 燃 烧模型） ，progress variable 预混燃烧计算，离散相边界条件（稀疏相计算）及第二相体积分 数（多相计算）等。 5－2 流场中的压力 s p′ 包括了势压gx 0 ρ，即 ss pgxp′ 0 ρ，或 x p g x p ss ∂ ∂ ∂ ′∂ 0 ρ。把 g 0 ρρ−在体积力源项中考虑，如果密度没有变化，则在压力计算中不需要考虑势压。我们 输入的压力也不需要考虑势压。 1/2 2 1 1 − − kk statictotal M k pp 2 2 1 vpp statictotal ρ 不可压缩流动 可压缩流动 表压 operating pressure 压 力 水 平 operating pressure 绝对压力 真空 55 5－－4 速度进口边界条件速度进口边界条件 给定进口的速度及其它相关标量值。该边界条件对不可压速流动问题适用，但对可压缩问 题不适合，因为该进口条件会使得进口的总温或总压有一定范围的波动。 输入量包括速度大小，方向或各速度分量；周向速度（轴对称有旋流动） ，静温（考虑 能量）等。 5－－5 质量流量进口边界条件质量流量进口边界条件 给定进口的质量流量。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。 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 56 质量。质量通量是单位时间单位面积内通过进口的质量。如果是二维轴对称问题，质量流率是 单位时间内通过 2π弧度的质量，而质量通量是通过单位时间内通过一弧度的质量。 5－－6 进口通风（进口通风（Inlet Vent）边界条件）边界条件 给定进口损失系数，流动方向和进口环境压力及温度。 对于进口通风模型，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ρ是流体密度， L K是无量纲损失系数，则压降为 2 2 1 vKp L ρ∆ 5－3 其中，v 是与通风方向垂直的速度分量。 p∆是流动方向上的压降。 5－－7 进口风扇边界条件（进口风扇边界条件（inlet fan）） 给定压力阶跃，流动方向和环境（进口）压力和温度。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。 5－－8 压力出口边界条件压力出口边界条件 给定出口的静压（表压） 。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。压力根据内部流动计算结果给定。其它量都是根据 内部流动外推出边界条件。该边界条件可以处理出口有回流问题，合理的给定出口回流条件， 有利于解决有回流出口问题的收敛困难问题。 出口回流条件需要给定回流总温（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。 在出口压力边界条件给定中，需要给定出口静压（表压） 。当然，该压力只用于亚音速计 算。如果局部变成超音速，则根据前面来流条件外推出口边界条件。需要特别指出的是，这里 的压力是相对于前面给定的工作压力。 FLUENT 给出了径向平衡出口边界条件供大家选择（适用于三维和轴对称有旋流动） 。这 时候，只有在半径很小的区域使用给定的静压边界条件，其它地方，假定径向速度可以忽略而 计算得到，压力梯度为 r v r p 2 θ ρ ∂ ∂ 即使是周向旋转速度为零，该边界条件也可以用。 5－－9 压力远场边界条件压力远场边界条件 如果知道自由流的静压和马赫数，FLUENT 提供了的压力远场边界条件来模拟该类问题。 该边界条件只适合用理想气体定律计算密度的问题，而不能用于其它问题。为了满足压力远场 条件，需要把边界放到我们关心区域足够远的地方。 给定边界静压和温度及马赫数。可以是亚音速，跨音速或者超音速。并且需要给定流动方 57 向，如果有需要还必须给定湍流量等等参数。 压力远场边界条件是一种不反射边界条件。对于流动为亚音速流动问题，对于来波和流出 波，有两个 Riemann 不变量。 1 2 − − ∞ ∞∞ γ c VR n 5－4 1 2 − − γ i nii c VR 5－5 n 下标速度表示垂至于边界的速度大小， c 是当地音速，γ是理想气体的比热比，∞表示 边界，i 表示内部区域。根据两个不变量，我们可以得到 2 1 ∞ RRV in 5－6 4 1 ∞ − − RRc i γ 5－7 5－－10 自由流出边界条件自由流出边界条件 如果我们在求解问题前， 不能知道流出口的压力或者速度， 这时候可以选择流出边界条件。 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） 。出口条件都是通过 FLUENT 内部计算得到。但并不是所有问题都适合，如下列 情况，就不能用流出边界条件 1， 包含压力进口条件 2， 可压速流动问题 3， 有密度变化的非稳定流动问题（即使是不可压速流动） 用流出边界条件时， 所有变量在出口处扩散通量为零。 即出口平面从前面的结果计算得到， 并且对上游没有影响。计算时，如果出口截面通道大小没有变化，采用完全发展流动假设（流 动速度（温度等）分布在流动方向上不变化。当然，在径向允许有梯度存在，只是假定在垂直 出口面方向上扩散通量为零。 outflow condition ill-posed outflow condition not obeyed outflow condition obeyed outflow condition closely obeyed 58 5－－11 出口通风边界条件出口通风边界条件 出口通风边界条件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。 出口通风边界条件需要给定如下参数静压，回流条件，辐射参数，离散相边界条件，损 失系数。 压力损失 2 2 1 vKp L ρ∆ 5－8 5－－12 排气扇边界条件排气扇边界条件 排气扇边界条件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。 5－－13 固壁边界条件固壁边界条件 对于粘性流动问题，FLUENT 默认设置是壁面无滑移条件，但你也可以指定壁面切向速度 分量（壁面平移或者旋转运动时） ，也可以给出壁面切应力从而模拟壁面滑移。根据当地流动 情况，可以计算壁面切应力和与流体换热情况。壁面热边界条件包括固定热通量，固定温度， 对流换热系数，外部辐射换热，外部辐射换热与对流换热等。 固壁条件下换热计算边界条件 如果给定壁面温度，则壁面向流体换热量为 radfwf qTThq′ ′−′ ′ 5－9 对流换热系数是根据当地流场计算得到（湍流水平，温度和速度曲线） 。 向固体壁面里面传热方程为 radsw s qTT n K q′ ′− ∆ ′ ′ 5－10 如果给定热通量，则更具流体换热和固体换热计算出的壁面温度分别为 f f rad w T h qq T ′ ′−′ ′ 5－11 s s rad w T K nqq T ∆′ ′−′ ′ 5－12 如果是对流换热边界条件（给定对流换热系数 ext h） ，则 wextextradfwf TThqTThq−′ ′−′ ′ 5－13 如果是辐射换热边界条件，给定辐射系数 ext ε，则 44 wextradfwf TTqTThq−′ ′−′ ′ ∞ σε 5－14 59 如果同时考虑对流和辐射，则 44 wextwextextradfwf TTTThqTThq−−′ ′−′ ′ ∞ σε 5－15 流体侧的换热系数根据如下公式计算 wallf n T kq ∂ ∂ ′ ′ 5－16 5-14 对称边界条件对称边界条件 对称边界条件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。 5－－15 周期性边界条件周期性边界条件 如果我们关心的流动，其几何边界，流动和换热是周期性重复的，则可以采用周期性边界 条件。FLUENT 提供了两种类型一类是流体经过周期性重复后没有压降（cyclic） ；另外一类 有压降periodic。 symmetry planes 60 Translationally periodic boundaries 4 tangential inlets Rotationally periodic boundaries l ∆ ∆p 0 61 computational domain Streamlines in a 2D tube heat exchanger flow direction l ∆ ∆p 0