湍流的邊界條件

1、在入口、出口或遠(yuǎn)場邊界流入流域的流動，F(xiàn)LUENT需要指定輸運(yùn)標(biāo)量的值。本節(jié)描述了對于特定模型需要哪些量， 并且該如何指定它們。也為確定流入邊界值最為合適的方法 提供了指導(dǎo)方針。使用輪廓指定湍流參量在入口處要準(zhǔn)確的描述邊界層和完全發(fā)展的湍流流動，你應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式創(chuàng)建邊界輪廓文件來完美的設(shè)定湍流量。如果你有輪廓的分析描述而不是數(shù)據(jù)點(diǎn)，你也可以用這個分析描述來創(chuàng)建邊界輪廓文件，或者創(chuàng)建用戶自定義函數(shù)來提供入口邊界的信息。一旦你創(chuàng)建了輪廓函數(shù)，你就可以使用如下的方法：Spalart-Allmaras模型：在湍流指定方法下拉菜單中指定湍流粘性比，并在在湍流粘性比之后的下拉菜單中選擇適當(dāng)?shù)妮?/p>

2、廓名。通過將m_t/m和密度與分子粘性的適當(dāng)結(jié)合，F(xiàn)LUENT為修改后的湍流粘性計(jì)算邊界值。k-e模型：在湍流指定方法下拉菜單中選擇K和Epsilon并在湍動能(Turb. KineticEnergy)和湍流擴(kuò)散速度(Turb. Dissipation Rate )之后的下拉菜單中選擇適當(dāng)?shù)妮喞?。雷諾應(yīng)力模型：在湍流指定方法下拉菜單中選擇K和Epsilon并在湍動能(Turb. KineticEnergy)和湍流擴(kuò)散速度(Turb. Dissipation Rate )之后的下拉菜單中選擇適當(dāng)?shù)妮喞?在湍流指定方法下拉菜單中選擇雷諾應(yīng)力部分，并在每一個單獨(dú)的雷諾應(yīng)力部分之后的下拉菜單中選

3、擇適當(dāng)?shù)妮喞Ｍ牧髁康慕y(tǒng)一說明在某些情況下流動流入開始時，將邊界處的所有湍流量指定為統(tǒng)一值是適當(dāng)?shù)?。比如說,在進(jìn)入管道的流體，遠(yuǎn)場邊界，甚至完全發(fā)展的管流中，湍流量的精確輪廓是未知的。在大多數(shù)湍流流動中，湍流的更高層次產(chǎn)生于邊界層而不是流動邊界進(jìn)入流域的地方，因此這就導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果對流入邊界值相對來說不敏感。然而必須注意的是要保證邊界值不是非物理邊界。非物理邊界會導(dǎo)致你的解不準(zhǔn)確或者不收斂。對于外部流來說這一特點(diǎn)尤其突出，如果自由流的有效粘性系數(shù)具有非物理性的大值，邊界層就會找不到了。你可以在使用輪廓指定湍流量一節(jié)中描述的湍流指定方法，來輸入同一數(shù)值取代輪廓。你也可以選擇用更為方便的量來指定

4、湍流量，如湍流強(qiáng)度，湍流粘性比，水力直徑以及湍流特征尺度，下面將會對這些內(nèi)容作一詳細(xì)敘述。湍流強(qiáng)度I定義為相對于平均速度 u_avg的脈動速度uA'的均方根。小于或等于1%的湍流強(qiáng)度通常被認(rèn)為低強(qiáng)度湍流，大于10%被認(rèn)為是高強(qiáng)度湍流。從外界，測量數(shù)據(jù)的入口邊界，你可以很好的估計(jì)湍流強(qiáng)度。例如：如果你模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，自 由流的湍流強(qiáng)度通?？梢詮娘L(fēng)洞指標(biāo)中得到。在現(xiàn)代低湍流風(fēng)洞中自由流湍流強(qiáng)度通常低到0.05%。.對于內(nèi)部流動，入口的湍流強(qiáng)度完全依賴于上游流動的歷史，如果上游流動沒有完全發(fā)展或者沒有被擾動，你就可以使用低湍流強(qiáng)度。如果流動完全發(fā)展，湍流強(qiáng)度可能就達(dá)到了 百分之幾。完全發(fā)展的管

5、流的核心的湍流強(qiáng)度可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：I 三三 0.16 ReDH 8ivg例如，在雷諾數(shù)為 50000是湍流強(qiáng)度為4%湍流尺度l是和攜帶湍流能量的大渦的尺度有關(guān)的物理量。在完全發(fā)展的管流中，l被管道的尺寸所限制，因?yàn)榇鬁u不能大于管道的尺寸。L和管的物理尺寸之間的計(jì)算關(guān)系如下： l =0.07L 其中L為管道的相關(guān)尺寸。因子0.07是基于完全發(fā)展湍流流動混合長度的最大值的，對于非圓形截面的管道，你可以用水力學(xué)直徑取代L。如果湍流的產(chǎn)生是由于管道中的障礙物等特征，你最好用該特征長度作為湍流長度L而不是用管道尺寸。注意：公式l =0.07L并不是適用于所有的情況。它只是在大多數(shù)情況下得很好的

6、近似。 對于特定流動，選擇 L和l的原則如下：對于完全發(fā)展的內(nèi)部流動，選擇強(qiáng)度和水力學(xué)直徑指定方法，并在水力學(xué)直徑流場中指定 L=D_H 。對于旋轉(zhuǎn)葉片的下游流動，穿孔圓盤等，選擇強(qiáng)度和水力學(xué)直徑指定方法，并在水力學(xué)直徑流場中指定流動的特征長度為L對于壁面限制的流動， 入口流動包含了湍流邊界層。選擇湍流強(qiáng)度和長度尺度方法并使用邊界層厚度d_99來計(jì)算湍流長度尺度l,在湍流長度尺度流場中輸入l=0.4 d_99這個值湍流粘性比m_t/m直接與湍流雷t若數(shù)成比例（Re_t ?kA2/（e n）。Re_t在高湍流數(shù)的邊界 層，剪切層和完全發(fā)展的管流中是較大的（100到1000）。然而，在大多數(shù)外流的

7、自由流邊界層中m_t/m相當(dāng)?shù)男?。湍流參?shù)的典型設(shè)定為1 < m_t/m <10。要根據(jù)湍流粘性比來指定量，你可以選擇湍流粘性比（對于 Spalart-Allmaras模型）或 者強(qiáng)度和粘性比（對于 k-e模型或者RSM）。推導(dǎo)湍流量的關(guān)系式要獲得更方便的湍流量的輸運(yùn)值，如：I, L,或者m_t/m ,你必須求助于經(jīng)驗(yàn)公式，下面是FLUENT中常用的幾個有用的關(guān)系式。要獲得修改的湍流粘性，它和湍流強(qiáng)度I長度尺度l有如下關(guān)系：在Spalart-Allmaras模型中，如果你要選擇湍流強(qiáng)度和水力學(xué)直徑來計(jì)算l可以從前面的公式中獲得。湍動能k和湍流強(qiáng)度I之間的關(guān)系為：k =|（UavgI

8、 2其中u_avg為平均流動速度除了為k和e指定具體的值之外，無論你是使用湍流強(qiáng)度和水力學(xué)直徑，強(qiáng)度和長度尺度或者強(qiáng)度粘性比方法，你都要使用上述公式。如果你知道湍流長度尺度l你可以使用下面的關(guān)系式：3其中C喝湍流模型中指定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（近似為0.09）, l的公式在前面已經(jīng)討論了。除了為k和e制定具體的值之外，無論你是使用湍流強(qiáng)度和水力學(xué)直徑還是強(qiáng)度和長度 尺度，你都要使用上述公式。E的值也可以用下式計(jì)算，它與湍流粘性比m_t/m以及k有關(guān)：k2；=Cik-N其中Cp是湍流模型中指定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（近似為0.09）。除了為k和e制定具體的值之外，無論你是使用湍流強(qiáng)度和水力學(xué)直徑還是強(qiáng)度和長度 尺度，

9、你都要使用上述公式。如果你是在模擬風(fēng)洞條件，在風(fēng)洞中模型被安裝在網(wǎng)格和 /或金屬網(wǎng)格屏下游的測試段,你可以用下面的公式：其中，Ak是你希望的在穿過流場之后k的衰減（比方說k入口彳1的10%）, U*自由流的速度L丈是流域內(nèi)自由流的流向長度Equation 9是在高雷諾數(shù)各向同性湍流中觀察到的哥率衰減的線性近似。它是基于衰減湍流中k的精確方程U ?k/?x = - e.如果你用這種方法估計(jì) e,你也要用方程7檢查結(jié)果的湍流粘性比m_t/m,以保證它不是太大。雖然這不是FLUENT內(nèi)部使用的方法，但是你可以用它來推導(dǎo)e的常數(shù)自由流值，然后你可以用湍流指定方法下拉菜單中選擇K和Epsilon直接指定

10、。在這種情況下，你需要使用方程3從I來計(jì)算ko當(dāng)使用RSM時，如果你不在雷諾應(yīng)力指定方法的下拉列表中使用雷諾應(yīng)力選項(xiàng)，明顯的制定入口處的雷諾應(yīng)力值，它們就會近似的由 保證k的指定值來決定。湍流假定為各向同性,Ui u j 0以及2.u：u：.3（下標(biāo)a不求和）.如果你在雷諾應(yīng)力指定方法下拉列表中選擇K或者湍流強(qiáng)度，F(xiàn)LUENT就會使用這種方法。對大渦*II擬（LES）指定入口湍流大渦模擬模型一節(jié)中所描述的LES速度入口中指定的的湍流強(qiáng)度值，被用于隨機(jī)擾動入口處速度場的瞬時速度。 它并不指定被模擬的湍流量。正如大渦模擬模型中介紹的邊界條件中所描述的，通過疊加每個速度分量的隨機(jī)擾動來計(jì)算流動入口邊

11、界處的隨機(jī)成分壓力入口邊界條件壓力入口邊界條件用于定義流動入口的壓力以及其它標(biāo)量屬性。它即可以適用于可壓流，也可以用于不可壓流。壓力入口邊界條件可用于壓力已知但是流動速度和/或速率未知的情況。這一情況可用于很多實(shí)際問題，比如浮力驅(qū)動的流動。壓力入口邊界條件也可用來定義外部或無約束流的自由邊界。對于流動邊界條件的概述，請參閱流動入口和出口一節(jié)。壓力入口邊界條件的輸入綜述對于壓力入口邊界條件你需要輸入如下信息駐點(diǎn)總壓駐點(diǎn)總溫流動方向靜壓湍流參數(shù)（對于湍流計(jì)算）輻射參數(shù)（對于使用P-1 模型、 DTRM 模型或者DO 模型的計(jì)算）化學(xué)組分質(zhì)量百分比（對于組分計(jì)算）混合分?jǐn)?shù)和變化（對于PDF 燃燒計(jì)算

12、）程序變量（對于預(yù)混和燃燒計(jì)算）離散相邊界條件（對于離散相的計(jì)算）次要相的體積分?jǐn)?shù)（對于多相計(jì)算）所有的值都在壓力入口面板中輸入（Figure 1），該面板是從邊界條件打開的。Figure 1:壓力入口面板壓力輸入和靜壓頭壓力場（p_sN）和壓力輸入（p_sA' or p_0A'）包括靜壓頭r_0 g x。也就是FLUENT 以下式定 義的壓力：Ps = ：?0gxPs或者, IPs,X這一定義允許靜壓頭放進(jìn)體積力項(xiàng)（r - r_0）g中考慮，而且當(dāng)密度一致時，從壓力計(jì)算中排除了。因此你的壓力輸入不因該考慮靜壓的微分，壓力（pA'_s）的報(bào)告也不會顯示靜壓的任何影響。有關(guān)浮力驅(qū)動流動的內(nèi)容請參閱浮力驅(qū)動流動和自然對流的信息定義總壓和總溫在壓力入口面板中的Gauge Total Pressure field輸入總壓值?？倻貢?Total Temperaturefield中設(shè)定。記住，總壓值是在操作條件面板中定義的與操作壓力有關(guān)的的總壓值。不可 壓流體的總壓定義為：對于可壓流體為:,-1.2'Po = Ps 1 -2-M其中：p_0=總壓p_s =靜壓M =馬赫數(shù)c =比熱比（c_p