第五章,邊界條件

1、第五章，邊界條件5-1, FLUENT程序邊界條件種類orifice (in terior)Example:Face and Cell zones associatedwith Pipe Flow through orifice plateFLUENT的邊界條件包括：1, 流動進(jìn)、出口邊界條件2, 壁面，軸對稱和周期性邊界3， Internal cell zon es: fluid, solid (porous is a type of fluid zone )4， Internal face boun daryies: fan, radiator, porous jump, wall, in

2、 terior5-2，流動進(jìn)口、出口邊界條件FLUENT提供了 10種類型的流動進(jìn)、出口條件，它們分別是:般形式：可壓縮流動：壓力進(jìn)口 壓力出口質(zhì)量進(jìn)口 壓力遠(yuǎn)場不可壓縮流動速度進(jìn)口 自由流出特殊進(jìn)出口條件進(jìn)口通分，出口通風(fēng) 吸氣風(fēng)扇，排氣風(fēng)扇1， 速度進(jìn)口：給出進(jìn)口速度及需要計算的所有標(biāo)量值2， 壓力進(jìn)口：給出進(jìn)口的總壓和其它需要計算的標(biāo)量進(jìn)口值3， 質(zhì)量流進(jìn)口：主要用于可壓縮流動，給出進(jìn)口的質(zhì)量流量。對于不可壓縮流動，沒有必要 給出該邊界條件，因為密度是常數(shù)，我們可以用速度進(jìn)口條件。4， 壓力出口：給定流動出口的靜壓。對于有回流的出口，該邊界條件比outflow 邊界條件更容易收斂。5，

3、壓力遠(yuǎn)場：該邊界條件只對可壓縮流動適合。6， outflow ： 該邊界條件用以模擬在求解問題之前，無法知道出口速度或者壓力；出口流動 符合完全發(fā)展條件，出口處，除了壓力之外，其它參量梯度為零。該邊界條件不適合可壓 縮流動。7， inlet vent ：進(jìn)口風(fēng)扇條件需要給定一個損失系數(shù)，流動方向和環(huán)境總壓和總溫。8， intake fan ：進(jìn)口風(fēng)扇條件需要給定壓降，流動方向和環(huán)境總壓和總溫。9， out let vent ：排出風(fēng)扇給定損失系數(shù)和環(huán)境靜壓和靜溫。10, exhaust fan.：排除風(fēng)扇給定壓降，環(huán)境靜壓。5 3 壓力進(jìn)口邊界條件壓力進(jìn)口邊界條件通常用于給出流體進(jìn)口的壓力和流

4、動的其它標(biāo)量參數(shù)，對計算可壓和不可壓問題都適合。壓力進(jìn)口邊界條件通常用于不知道進(jìn)口流率或流動速度時候的流動，這類流動在工程中常見，如浮力驅(qū)動的流動問題。壓力進(jìn)口條件還可以用于處理外部或者非受限流動 的自由邊界。壓力邊界條件需要表壓輸入。pabsolutep gaugepoperating51Operating pressure 輸入：Define-operating conditions絕對壓力表壓壓力水 平 operating八pressureoperatingpressure真空壓力進(jìn)口條件需要輸入的參數(shù)：總壓，總溫，流動方向，靜壓，湍流量（用于湍流計算），輻射參數(shù)（考慮輻射），化學(xué)組分質(zhì)

5、量分?jǐn)?shù)（考慮化學(xué)組分），混合分?jǐn)?shù)及其方差（用 PDF燃燒模型），progress variable （預(yù)混燃燒計算），離散相邊界條件（稀疏相計算）及第二相體積分 數(shù)（多相計算）等。PtotalPstatic不可壓縮流動PtotalPstatic (12)k/(k 1)可壓縮流動流場中的壓力 ps包括了勢壓 0gx，即：ps0gX Ps，或:PsX0g上。把X（0）g在體積力源項中考慮，如果密度沒有變化，則在壓力計算中不需要考慮勢壓。我們輸入的壓力也不需要考慮勢壓。PicEHirB InletZgB hlgLmg inletDirection SpecificaiiQn Method Nonn*

6、lto Bound*rylurtkulrnce Sprclficaiion MeTtiod lnren：;My drid FtydryuHc hi<ir)ei£rzlramiic Diameler(in)二OKCiincel Help但對可壓縮問，靜溫（考慮5-4速度進(jìn)口邊界條件 給定進(jìn)口的速度及其它相關(guān)標(biāo)量值。該邊界條件對不可壓速流動問題適用,題不適合，因為該進(jìn)口條件會使得進(jìn)口的總溫或總壓有一定范圍的波動。輸入量包括：速度大小，方向或各速度分量；周向速度（軸對稱有旋流動） 能量）等。5-5質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件給定進(jìn)口的質(zhì)量流量。局部進(jìn)口總壓是變化的，用以調(diào)節(jié)速度，從而達(dá)到給定

7、的流量。這使得計算的收斂速度變慢。所以，如果壓力邊界條件和質(zhì)量邊界條件都適合流動時，優(yōu)先選擇 用壓力進(jìn)口條件。對于不可壓速流動，由于密度是常數(shù)，可以選擇用速度進(jìn)口邊界條件。質(zhì)量進(jìn)口條件包括兩種：質(zhì)量流率和質(zhì)量通量。質(zhì)量流率是單位時間內(nèi)通過進(jìn)口總面積的質(zhì)量。質(zhì)量通量是單位時間單位面積內(nèi)通過進(jìn)口的質(zhì)量。如果是二維軸對稱問題，質(zhì)量流率是 單位時間內(nèi)通過 2弧度的質(zhì)量，而質(zhì)量通量是通過單位時間內(nèi)通過一弧度的質(zhì)量。5-6進(jìn)口通風(fēng)（In let Vent ）邊界條件給定進(jìn)口損失系數(shù)，流動方向和進(jìn)口環(huán)境壓力及溫度。對于進(jìn)口通風(fēng)模型， 假定進(jìn)口風(fēng)扇無限薄， 通風(fēng)壓降正比于流體動壓頭和用戶提供的損失 系數(shù)。假定

8、是流體密度，Kl是無量綱損失系數(shù)，則壓降為：1 2 p Kl v5-32其中，v是與通風(fēng)方向垂直的速度分量。p是流動方向上的壓降。5-7進(jìn)口風(fēng)扇邊界條件（inlet fan ）給定壓力階躍，流動方向和環(huán)境（進(jìn)口）壓力和溫度。假定進(jìn)口風(fēng)扇無限薄，并且有不連 續(xù)的壓力升高，壓力升高量是通過風(fēng)扇速度的函數(shù)。如果是反向流動，風(fēng)扇可以看成是通風(fēng)出 口，并且損失系數(shù)為1。壓力階躍可以是常數(shù)，或者是流動方向垂直方向上速度分量的函數(shù)形式。5-8壓力出口邊界條件給定出口的靜壓（表壓）。該邊界條件只能用于模擬亞音速流動。如果當(dāng)?shù)厮俣纫呀?jīng)超過 音速，則該壓力在計算過程中就不采用了。壓力根據(jù)內(nèi)部流動計算結(jié)果給定。其它

9、量都是根據(jù) 內(nèi)部流動外推出邊界條件。該邊界條件可以處理出口有回流問題，合理的給定出口回流條件， 有利于解決有回流出口問題的收斂困難問題。出口回流條件需要給定：回流總溫（如果有能量方程），湍流參數(shù)（湍流計算），回流組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（有限速率模型模擬組分輸運(yùn)） ，混合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其方差（PDF計算燃燒）。如果有 回流出現(xiàn)，給的表壓將視為總壓，所以不必給出回流壓力?；亓髁鲃臃较蚺c出口邊界垂直。在出口壓力邊界條件給定中，需要給定出口靜壓（表壓）。當(dāng)然，該壓力只用于亞音速計算。如果局部變成超音速，則根據(jù)前面來流條件外推出口邊界條件。需要特別指出的是，這里 的壓力是相對于前面給定的工作壓力。FLUENT給出了

10、徑向平衡出口邊界條件供大家選擇（適用于三維和軸對稱有旋流動）。這時候，只有在半徑很小的區(qū)域使用給定的靜壓邊界條件，其它地方，假定徑向速度可以忽略而 計算得到，壓力梯度為：2P Vr r即使是周向旋轉(zhuǎn)速度為零，該邊界條件也可以用。5 9壓力遠(yuǎn)場邊界條件如果知道自由流的靜壓和馬赫數(shù)，F(xiàn)LUENT提供了的壓力遠(yuǎn)場邊界條件來模擬該類問題。該邊界條件只適合用理想氣體定律計算密度的問題，而不能用于其它問題。為了滿足壓力遠(yuǎn)場條件，需要把邊界放到我們關(guān)心區(qū)域足夠遠(yuǎn)的地方。給定邊界靜壓和溫度及馬赫數(shù)。可以是亞音速，跨音速或者超音速。并且需要給定流動方向，如果有需要還必須給定湍流量等等參數(shù)。 壓力遠(yuǎn)場邊界條件是一

11、種不反射邊界條件。 波，有兩個Riemann不變量。R Vn2c1對于流動為亞音速流動問題，對于來波和流出5-4R Vni2Ci1是理想氣體的比熱比，表示n下標(biāo)速度表示垂至于邊界的速度大小，c是當(dāng)?shù)匾羲?邊界，i表示內(nèi)部區(qū)域。根據(jù)兩個不變量，我們可以得到：1Vn （R R ）2c】(Ri R )45- 10自由流出邊界條件如果我們在求解問題前，不能知道流出口的壓力或者速度，這時候可以選擇流出邊界條件。 這類邊界條件的特點是不需要給定出口條件（除非是計算分離質(zhì)量流，輻射換熱或者包括顆粒稀疏相問題）。出口條件都是通過 FLUENT內(nèi)部計算得到。但并不是所有問題都適合，如下列 情況，就不能用流出邊界

12、條件：1, 包含壓力進(jìn)口條件2, 可壓速流動問題3, 有密度變化的非穩(wěn)定流動問題（即使是不可壓速流動）用流出邊界條件時，所有變量在出口處擴(kuò)散通量為零。即出口平面從前面的結(jié)果計算得到，并且對上游沒有影響。計算時，如果出口截面通道大小沒有變化，采用完全發(fā)展流動假設(shè)（流 動速度（溫度等）分布在流動方向上不變化。當(dāng)然，在徑向允許有梯度存在，只是假定在垂直 出口面方向上擴(kuò)散通量為零。Aa/cV/v/yV/V A%Doutflow con diti on obeyedcon diti on ill-posedoutflow con diti on not obeyedclosely obeyed5- 11

13、出口通風(fēng)邊界條件出口通風(fēng)邊界條件用于模擬出口通風(fēng)情況，并給定一個損失系數(shù)和環(huán)境(出口)壓力和溫 度。出口通風(fēng)邊界條件需要給定如下參數(shù)：靜壓，回流條件，輻射參數(shù)，離散相邊界條件，損 失系數(shù)。1 2壓力損失 p K L - v5- 825- 12排氣扇邊界條件排氣扇邊界條件用于模擬外部排氣扇，給定一個壓升和環(huán)境壓力。 假定排氣扇無限薄，并且流體通過排氣扇的壓升是流體速度的函數(shù)。5- 13固壁邊界條件對于粘性流動問題，F(xiàn)LUENT默認(rèn)設(shè)置是壁面無滑移條件，但你也可以指定壁面切向速度 分量(壁面平移或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時)，也可以給出壁面切應(yīng)力從而模擬壁面滑移。根據(jù)當(dāng)?shù)亓鲃忧闆r，可以計算壁面切應(yīng)力和與流體換熱

14、情況。壁面熱邊界條件包括固定熱通量，固定溫度， 對流換熱系數(shù)，外部輻射換熱，外部輻射換熱與對流換熱等。固壁條件下?lián)Q熱計算邊界條件：如果給定壁面溫度，則壁面向流體換熱量為：qhf (Tw T f ) qrad5 9對流換熱系數(shù)是根據(jù)當(dāng)?shù)亓鲌鲇嬎愕玫?湍流水平，溫度和速度曲線)。向固體壁面里面?zhèn)鳠岱匠虨椋篕sq(T wTs)qrad5 10n如果給定熱通量，則更具流體換熱和固體換熱計算出的壁面溫度分別為:q qradhfTf5- 11(qqrad ) nKs5- 12如果是對流換熱邊界條件(給定對流換熱系數(shù)hext),則：q hf (Tw Tf ) qradhext (TextTw)5 13如果是

15、輻射換熱邊界條件，給定輻射系數(shù)ext，則44q hf (Tw T f ) qrad ext (TTw)5 14如果同時考慮對流和輻射，則:hf (TwTf ) qradhext (Textext (T4tW4)5 15流體側(cè)的換熱系數(shù)根據(jù)如下公式計算:5 16Tq k f walln5-14對稱邊界條件對稱邊界條件應(yīng)用于計算的物理區(qū)域，或者流動及傳熱場是對稱的情況。在對稱軸或者對稱平面上，沒有對流通量，因此垂直于對稱軸或者對稱平面的速度分量為零。在對稱軸或者對 稱平面上，沒有擴(kuò)散通量，即垂直方向上的梯度為零。因此在對稱邊界上，垂直邊界的速度分 量為零，任何量的梯度為零。計算中不需要給定任何參數(shù)，只