CFD分析基礎(chǔ)-邊界、網(wǎng)格、湍流模型

1、CFD分析基礎(chǔ)-邊界、網(wǎng)格、湍流模型1、湍流的模擬SmallstructuresLargestructuresn每個(gè)輸運(yùn)量(質(zhì)量, 動(dòng)量, 物質(zhì)的量) 在時(shí)間和空間中非定常，無(wú)規(guī)律 (無(wú)周期)波動(dòng)運(yùn)動(dòng)n流動(dòng)屬性和速度呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則變化n把速度描述成平均量和脈動(dòng)量之和:Ui(t) Ui + ui(t)什么是湍流?TimeU i (t)Uiui(t)流動(dòng)的基本方程流體流動(dòng)可以分為以下兩大類：層流（Laminar flow）湍流（紊流）（Turbulent flow）從流動(dòng)的機(jī)理來(lái)看都滿足NavierStokes方程。nNS方程由一個(gè)連續(xù)性方程和三個(gè)動(dòng)量方程組成0iiux22()iiijjijuupu

2、utxxx 方程特性n流動(dòng)方程非線性n需要求解的是一組耦合方程組，而不是一個(gè)方程n方程本身具有強(qiáng)非線性強(qiáng)非線性n無(wú)法獲得簡(jiǎn)單的理論結(jié)果n必須借助于離散方法,如有限元法、有限差分等數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算方法總覽n(RANS) 雷諾平均納維斯托克斯方程模型n解總體均值（或者時(shí)間均值）納維斯托克斯方程n所有紊流長(zhǎng)度規(guī)格在RANS中模擬n在工業(yè)流動(dòng)計(jì)算中使用最為廣泛n大渦模擬 (LES)n解算空間平均 N-S 方程，大渦可以直接解出, 但是渦比模擬過的網(wǎng)格要小。n沒有 DNS消耗那么大,但是對(duì)于大多數(shù)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)占用計(jì)算資源和效果還是太大了 n直接數(shù)值模擬 (DNS)n理論上來(lái)說(shuō)，所有的紊流流動(dòng)能夠由數(shù)值

3、解出所有的N-S方程來(lái)模擬n解出尺寸頻譜，不需要任何模型n花費(fèi)太高! 對(duì)工程流動(dòng)不實(shí)用 - DNS 在 Fluent中不可用.n現(xiàn)在沒有一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的紊流模型能夠可靠的預(yù)測(cè)出具有充分精度的所有紊流流動(dòng)為何采用湍流模式模擬湍流?n直接數(shù)值模擬只適合于模擬簡(jiǎn)單的低雷諾數(shù)流動(dòng).n作為可行的方法, 改而求解雷諾平均 Navier-Stokes (RANS) 方程:其中 (雷諾應(yīng)力) n時(shí)間平均湍流速度脈動(dòng)通過基于經(jīng)驗(yàn)常數(shù)和主流的信息來(lái)求解.n大渦模擬Large Eddy Simulation對(duì)大渦進(jìn)行直接求解，而對(duì)小渦采用湍流模式.jiijuuRjijjjiikikxRxxUxpxUU2在FLUEN

4、T中可用的湍流模型基于基于RANS的模型的模型1方程模型方程模型 Spalart-Allmaras2方程模型方程模型 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) k RNG k Reliable k 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) k SST k雷諾德壓力模型雷諾德壓力模型分離渦模擬分離渦模擬大渦模擬大渦模擬 增加增加每個(gè)計(jì)算迭代步每個(gè)計(jì)算迭代步消耗消耗RANS 模擬 時(shí)間平均n全部 (時(shí)間)平均能夠用于從瞬時(shí)流動(dòng)中取出平均流動(dòng)屬性:nReynolds-averaged 動(dòng)量方程如下nReynolds 應(yīng)力是由附加未知的平均程序引進(jìn)的,因此為了封閉控制方程組系統(tǒng)它們必須被模擬 (涉及到平均流動(dòng)屬性). NnniNituNtu1,1lim,xxtut

5、utuiii,xxx波動(dòng)項(xiàng)波動(dòng)項(xiàng)時(shí)均項(xiàng)時(shí)均項(xiàng)Example: 完全發(fā)展完全發(fā)展紊流管流紊流管流速度輪廓速度輪廓tui, xtui, x瞬時(shí)項(xiàng)瞬時(shí)項(xiàng)jiijuuRjijjijikikixRxuxxpxuutu(Reynolds 壓力張量壓力張量)tui, x方程封閉問題nRANS 模型能夠在下列方法其中之一下封閉 n(1) 漩渦粘性模型 (通過 Boussinesq 假設(shè))nBoussinesq假設(shè) Reynolds 壓力 在 使用渦流 (或者紊流) 粘性T下模擬, 對(duì)簡(jiǎn)單湍性剪切流來(lái)說(shuō)假設(shè)是合理的: 邊界層, 圓形射流, 混合層, 管流, 等等(2) 雷諾德壓力模型 (通過雷諾德壓力輸運(yùn)方程)

6、n在輸運(yùn)方程中模型還需要很多項(xiàng).nRSM 在大曲率和大漩渦的 3D 紊流流動(dòng)中更有利, 但是模型更加復(fù)雜, 計(jì)算強(qiáng)度更大, 更復(fù)雜 比紊流粘性模型更難收斂.ijijkkijjijiijkxuxuxuuuR3232TT計(jì)算湍流粘性n基于量綱分析, T 能夠由 紊流時(shí)間比例 (或速度比例) 和長(zhǎng)度比例來(lái)決定.n紊流動(dòng)能 L2/T2n紊流耗散率 L2/T3n定義耗散率 1/Tn每種紊流模型計(jì)算 T 都很困難.nSpalart-Allmaras:n解模擬紊流粘性的輸運(yùn)方程n標(biāo)準(zhǔn) k, RNG k, Realizable kn解關(guān)于 k 和 的輸運(yùn)方程.n標(biāo)準(zhǔn) k, SST kn解關(guān)于 k 和 的輸運(yùn)方

7、程.2iiuukijjijixuxuxuk fT2kfTkfTSpalart-Allmaras 模型nSpalart-Allmaras 是一種低耗的求解關(guān)于改進(jìn)的渦流粘性的輸運(yùn)方程的RANS 模型n在改良形式上, 渦流粘性很容易解決壁面附近的問題.n主要打算使用在輕度分離的空氣動(dòng)力學(xué)/渦輪機(jī)組情況下得到應(yīng)用, 比如機(jī)翼上的超音速/跨音速流動(dòng), 邊界層流動(dòng), 等等n使得一種新的 1方程模型具體化，在不需要計(jì)算一個(gè)涉及到局部剪切層厚度的長(zhǎng)度尺寸的情況下.n為包括有限邊界的流動(dòng)的航天應(yīng)用特別設(shè)計(jì)n在邊界層服從反壓力梯度的情況下已經(jīng)給出了比較好的結(jié)果n在渦輪機(jī)組應(yīng)用中很流行n這個(gè)模型相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較新的

8、n對(duì)于各種復(fù)雜的工程流動(dòng)沒有關(guān)于應(yīng)用的主張n不能依賴它來(lái)預(yù)測(cè)同類等方向紊流的減弱k 湍流模型n標(biāo)準(zhǔn) k (SKE) 模型n在工程應(yīng)用中使用最為廣泛的紊流模型nRobust 而且相對(duì)精確n包括用于可壓縮性, 浮力, 燃燒, 等等子模型n局限性n 方程包括一個(gè)不能在壁面上計(jì)算的項(xiàng). 因此, 必須使用壁面邊界條件.n在流動(dòng)有強(qiáng)烈的分離下一般表現(xiàn)不好,比如大曲率流線和大壓力梯度n重正規(guī)化群 (RNG) k模型nk 方程中 的常數(shù)源自使用重正規(guī)化群理論.n包括以下子模型n解決低雷諾數(shù)下的特異粘度模型 n源自對(duì)紊流 Prandtl / Schmidt數(shù)的代數(shù)公式的解析解n漩渦修正n對(duì)更復(fù)雜的剪切流來(lái)說(shuō)比S

9、KE 表現(xiàn)更好,比如高應(yīng)變率，漩渦和分離的流動(dòng)k 湍流模型nRealizable k (RKE) 模型n術(shù)語(yǔ) realizable 意味著這個(gè)模型滿足在雷諾壓力上的特定數(shù)學(xué)約束, 與物理紊流流動(dòng)一致.n法向應(yīng)力為正: n關(guān)于 Reynolds 剪切壓力的Schwarz不等式 : n標(biāo)準(zhǔn) k 模型和 RNG k 模型都不是可實(shí)現(xiàn)的n好處:n對(duì)平面射流和圓形射流的散布率預(yù)測(cè)得更加精確.n也可能對(duì)包括旋轉(zhuǎn), 強(qiáng)反向壓力梯度下的邊界層, 分離, 和再流通的流動(dòng)提供出眾性能222jijiuuuu0jiuuk 湍流模型nk 湍流模型家族得到流行主要因?yàn)?n模型方程不包括在壁面上沒有定義的項(xiàng)，因?yàn)闆]有壁面函

10、數(shù)它們就不能在壁面上積分n對(duì)于有壓力梯度的大范圍邊界層流動(dòng)它們是精確的和robust nFLUENT 提供k 模型下的兩個(gè)變量n標(biāo)準(zhǔn)k (SKW) 模型n在航天和渦輪機(jī)械領(lǐng)域得到最廣泛的應(yīng)用n幾個(gè)k子模型/選項(xiàng) : 可壓縮性效果, 過渡期的剪切流修正流動(dòng).n剪切壓力輸運(yùn)k (SSTKW) 模型(Menter, 1994)nSST k 模型 使用混合函數(shù)對(duì)逐漸過渡的從壁面附近的標(biāo)準(zhǔn)k 模型到高雷諾數(shù)在邊界層的外部的k模型.n包括修正過的用來(lái)解決主要紊流剪切壓力的傳輸效果紊流粘性公式.大渦模擬n大渦模擬 (LES)nLES 非常成功的應(yīng)用于 RANS 模型不能滿足要求的高端應(yīng)用.n 比如:n燃燒n

11、混合n外部空氣動(dòng)力學(xué) (在非線性體周圍流動(dòng))n在 FLUENT中執(zhí)行:n下層網(wǎng)格比例 (SGS) 紊流模型:nSmagorinsky-Lilly 模型n配合壁面的局部渦流粘性 (WALE) nDynamic Smagorinsky-Lilly 模型n動(dòng)能傳輸n分離渦 (DES) 模型nLES在FLUENT中對(duì)所有燃燒模型適用n基本統(tǒng)計(jì)學(xué)工具是可用的: 時(shí)間平均和解變量的RMS值, 內(nèi)置快速傅立葉變換 (FFT).n在運(yùn)行 LES之前, 在 “對(duì) LES的最優(yōu)方法”參考指導(dǎo)方針 (包括這些建議,對(duì)畫網(wǎng)格的，下層網(wǎng)格模型, 數(shù)字的, 邊界條件, 和更多的)LES（大渦模擬）基本原理n動(dòng)量、質(zhì)量、能

12、量及其他被動(dòng)標(biāo)量大多由大尺度渦輸送n大渦結(jié)構(gòu)（又稱擬序結(jié)構(gòu)）受流場(chǎng)影響較大，是由所涉及流動(dòng)的幾何形狀和邊界條件決定的。n小尺度渦則認(rèn)為是各向同性的受幾何形狀與邊界條件影響較小。n大渦模擬通過濾波處理，將小于某個(gè)尺度的旋渦從流場(chǎng)中過濾掉，只計(jì)算大渦，然后通過求解附加方程得到小渦的解。DES（分離渦模擬模式）nLES/RANS 耦合計(jì)算方法. Example: Flow Around a Cylinderwallwall1 ft2 ft2 ft airV = 4 fpsCompute drag coefficient of the cylinder5 ft14.5 ftnCheck if turb

13、ulent ReD = 24,600nFlow over an object, unsteady vortex shedding is expected, difficult to predict separation on downstream side, and close proximity of side walls may influence flow around cylinder use RNG k- with 2-layer zonal model.nDevelop strategy for the gridnSimple geometry & BLs quadrila

14、teral cells.nLarge gradients near surface of cylinder & 2-layer model fine mesh near surface & first cell at y+ = 1.Turbulence Modeling ApproachGrid for Flow Over a CylinderPrediction of Turbulent Vortex SheddingContours of effective viscosity eff = + tCD = 0.53 Strouhal Number = 0.297UDStwh

15、ere小結(jié): 湍流模型指南n成功的湍流模型需要工程判斷:n物理流動(dòng)n可用計(jì)算機(jī)資源n計(jì)劃需要n準(zhǔn)確性n轉(zhuǎn)向時(shí)間n近壁面處理n建模程序n計(jì)算特征值 Re 和決定流動(dòng)是否是湍流.n在生成網(wǎng)格之前估計(jì)貼體網(wǎng)格質(zhì)心 y+.n從 SKE (standard k-)開始 ，之后改成 RKE, RNG, SKW, SST 或者 V2F.n在高度渦流，三維，旋轉(zhuǎn)流動(dòng)下使用RSM 模型n除了低雷諾數(shù)流動(dòng)或者復(fù)雜近面物理模型對(duì)壁面邊界條件使用壁面功能RANS 紊流模型描述模型描述Spalart Allmaras單一輸運(yùn)方程模型直接解出修正過的紊流粘性 特別設(shè)計(jì)用于包括有界壁面流動(dòng)的航天領(lǐng)域 在FLUENT中允許使

16、用粗大網(wǎng)格 包括在 k 生產(chǎn)項(xiàng)中應(yīng)變率改善渦流的預(yù)測(cè).Standard k基于兩個(gè)輸運(yùn)方程模型解出 k 和 . 這是默認(rèn)的 k模型. 系數(shù)顯式給出; 只對(duì)完全湍流有效. 選來(lái)說(shuō)明粘性發(fā)熱, 浮力, 還有可壓縮性與其它 k 模型共享.RNG k標(biāo)準(zhǔn) k 模型的變形. 方程和系數(shù)是來(lái)自解析解，在方程中的重大改變改善了模擬高應(yīng)變流動(dòng)的能力. 另外的選項(xiàng)增加用來(lái)預(yù)測(cè)渦流和低雷諾數(shù)流動(dòng).Realizable k標(biāo)準(zhǔn) k 模型的變形. “realizability” 來(lái)自允許確定的數(shù)學(xué)約束的改變的最終根據(jù)改善這種模型的性能.Standard k兩個(gè)輸運(yùn)方程模型解出 k 和 , 指定的耗散率 ( / k)

17、基于 Wilcox (1998). 這是默認(rèn)的 k模型. 在有界壁面和低雷諾數(shù)流動(dòng)中顯示了較高性能. 顯示了對(duì)過渡的較好預(yù)測(cè). 用來(lái)解決過渡, 自由剪切, 和可壓流動(dòng).SST k標(biāo)準(zhǔn) k 模型的變形. 使用混合函數(shù)與原始Wilcox 模型用在近壁面和遠(yuǎn)離壁面的標(biāo)準(zhǔn) k 模型. 也限制了紊流粘性來(lái)保證 T k. 過渡和剪切選項(xiàng)從標(biāo)準(zhǔn) k中借來(lái). 沒有可壓縮流選項(xiàng).Reynolds Stress直接使用輸運(yùn)方程來(lái)解出雷諾壓力, 避免了其它模型等方性的粘性假設(shè). 用于高度渦流流動(dòng).二次壓力應(yīng)變選項(xiàng)改善了許多在基本剪切流上的表現(xiàn).2、邊界條件概 況n入口和出口邊界條件n速度邊界n速度分布圖表n湍流參數(shù)

18、n壓力邊界和其它n壁面, 對(duì)稱, 周期 和 軸對(duì)稱邊界n內(nèi)流域n流體n多孔介質(zhì)n移動(dòng)區(qū)域n固體n內(nèi)部面單元定義邊界條件n定義一個(gè)問題，并且能獲得唯一的解，你必須在依靠變量值的邊界區(qū)域上給出邊界條件n定義區(qū)域內(nèi)的質(zhì)量流量, 動(dòng)量, 能量, 等等n定義邊界條件包括:n定義邊界位置（比如：入口，壁面，對(duì)稱面）n提供邊界信息n邊界上必需的數(shù)據(jù)依賴邊界條件類型和使用的物理模型n你必須知道邊界條件定義時(shí)需要那些信息，你確定邊界條件的位置的這些信息是否已知或能合理的近似n邊界條件定義的不好將會(huì)對(duì)你的結(jié)果產(chǎn)生重大影響要領(lǐng)n要領(lǐng)n盡可能選擇邊界位置和形狀使流體或進(jìn)或出的流動(dòng)n不是必須的，但是會(huì)更利于解的收斂n在

19、邊界法向方向上不該有大的梯度n指出錯(cuò)誤設(shè)置n減少邊界附近的網(wǎng)格傾斜n否則將在計(jì)算中過早引入誤差21修改過的上壓力邊界確定流體進(jìn)入?yún)^(qū)域可用邊界類型n外部面n常規(guī)壓力入口，壓力出口n不可壓速度入口，自由出流n可壓質(zhì)量流入口，壓力遠(yuǎn)場(chǎng)，質(zhì)量流出口n其它壁面，對(duì)稱面，軸，周期n特殊通風(fēng)口入口，通風(fēng)口出口，進(jìn)氣風(fēng)扇，排氣風(fēng)扇n單元區(qū)域n流體n固體n多孔介質(zhì)n熱交換器n內(nèi)部面n風(fēng)扇，內(nèi)部，多孔跳躍，散熱器，壁面orificeplate plate-shadowoutletinletwall設(shè)置邊界條件n各區(qū)域在前處理過程中劃分完成n為特定的域設(shè)置邊界條件:Define Boundary Condition

20、s.n在Zone列表中選擇域的名稱.n在 zone type列表中選擇邊界類型n點(diǎn)擊 Set.按鈕進(jìn)行邊界條件的設(shè)置n亦可在圖形界面中采用鼠標(biāo)右鍵來(lái)選擇邊界進(jìn)行設(shè)置.n在以下情況下:n不清楚具體域的位置且首次設(shè)置；n模型中含兩個(gè)以上同類型的邊界時(shí)。.入口和出口條件n描述流體流入和流出的邊界條件類型:n通用的通用的n壓力入口壓力入口n壓力出口壓力出口n不可壓縮流動(dòng)不可壓縮流動(dòng)n速度入口速度入口n出流條件出流條件n根據(jù)不同的物理模型需要設(shè)定不同的邊界參數(shù).n指導(dǎo)方針:n有流體流入或流出的位置.n有利于收斂.n在邊界方向避免出現(xiàn)過大的梯度.n表示設(shè)置錯(cuò)誤.n減小邊界上網(wǎng)格的斜度.n可壓縮流動(dòng)可壓縮流

21、動(dòng)n質(zhì)量流入口質(zhì)量流入口n壓力遠(yuǎn)場(chǎng)條件壓力遠(yuǎn)場(chǎng)條件n特殊條件特殊條件n通風(fēng)入口通風(fēng)入口, 通風(fēng)出口通風(fēng)出口,進(jìn)氣風(fēng)扇進(jìn)氣風(fēng)扇, 排氣風(fēng)扇排氣風(fēng)扇速度入口（velocity inlet）n定義入口邊界的速度向量和標(biāo)量.n知道入口處的詳細(xì)速度分布時(shí)較好.n默認(rèn)條件為均勻的速度分布n只適用于不可壓縮流動(dòng).n流動(dòng)總（停滯）參數(shù)不固定.n停滯參數(shù)根據(jù)速度分布的不同而變化.n用于計(jì)算可壓縮流動(dòng)可能導(dǎo)致不符合物理規(guī)律的結(jié)果.n應(yīng)避免在接近固體障礙物的位置設(shè)定速度入口條件.n導(dǎo)致不符合物理規(guī)律的結(jié)果, 不正確的速度場(chǎng)等問題應(yīng)用速度分布圖n可選擇應(yīng)用UDF來(lái)定義入口邊界的速度分布.n速度分布圖可以是空間相關(guān)或者

22、時(shí)間相關(guān).n速度分布圖還可以由以下手段制作:n通過其它CFD分析結(jié)果獲得速度分布圖n創(chuàng)建含坐標(biāo)信息和邊界數(shù)據(jù)的文本文件.n速度分布圖的超作:nDefine Profilesn在入口邊界條件中選擇.設(shè)定湍流參數(shù)n當(dāng)流動(dòng)為湍流條件，入口、出口、遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件等需要設(shè)定湍流參數(shù):n湍流動(dòng)能 k 湍流耗散率 n在實(shí)際設(shè)置時(shí)可采用以下四種方式設(shè)定:n明確地設(shè)定 k和 n設(shè)定湍流強(qiáng)度和湍流尺度n設(shè)定湍流強(qiáng)度和湍流比率n設(shè)定湍流強(qiáng)度和水力直徑n湍流強(qiáng)度和湍流尺度決定于上游條件等:n渦輪的排除口Intensity = 20 %Length scale = 1 - 10 % 葉片寬度n孔板下游Intensity

23、= 10 %Length scale = 孔的尺寸n水渠或管路中完全發(fā)展的流動(dòng)Intensity = 5 %Length scale = 水力直徑壓力邊界條件n壓力邊界條件需要輸入?yún)?shù)為表壓:n操作壓力的輸入:nDefine Operating Conditionsn 以下情況可用壓力條件:n流速未知 (如重力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)).n出口處的自由流動(dòng).operatinggaugeabsolutepppgauge pressureoperating pressurepressure leveloperating pressureabsolute pressurevacuum壓力入口條件（pressure

24、inlet）n定義總壓、溫度和其它標(biāo)量.n超音速/初始表壓:n定義超音速流動(dòng)的靜壓.n對(duì)于不可壓縮流動(dòng)，可用于流場(chǎng)的初始化.n總溫:n對(duì)于可壓縮流動(dòng)必須定義.n對(duì)于不可壓縮流動(dòng)，可用于定義靜溫度.)1/(2)211 (kkstatictotalMkpp221vppstatictotalincompressible flowscompressible flows壓力出口條件（pressure outlet） (1)n定義出口靜壓.n出口處外部環(huán)境的表壓.n徑向壓力平衡選項(xiàng).n逆向來(lái)流:n在求解過程中或部分區(qū)域中出現(xiàn).n假設(shè)方向垂直于邊界.n可以減少收斂的難度.n當(dāng)逆流發(fā)生時(shí)，設(shè)定的靜壓值作為總壓

25、計(jì)算.壓力出口條件（pressure outlet） (2)n不可壓縮流動(dòng): n輸入靜壓定義出口邊界條件n其它所有邊界參數(shù)通過內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算獲得.n可壓縮流動(dòng):n如果局部超音速，則忽略靜壓輸入. n所有邊界參數(shù)通過內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算獲得.n當(dāng)入口采用壓力入口，則出口必須采用壓力出口.出流（outflow）條件n除了壓力參數(shù)外，流域內(nèi)流出的流體在Outflow邊界上流動(dòng)參數(shù)的法向梯度為零.nFLUENT 通過內(nèi)部流動(dòng)的計(jì)算外推.n對(duì)以下情況適用:n事先不知道所計(jì)算問題的速度和壓力.n在出口的流動(dòng)接近于充分發(fā)展條件的情況下比較合適.n注: 在有回流產(chǎn)生的情況下，采用壓力出口條件代替出流條件可能更加有利于求

26、解問題的收斂.出流 （Outflow）條件的限制n出流條件不能應(yīng)用于:n可壓縮流動(dòng).n在采用壓力入口的情況下 (通?？捎盟俣热肟诖?: n密度會(huì)改變的非定常流動(dòng).outflow condition ill-posedoutflow condition not obeyedoutflow condition obeyedoutflow condition closely obeyed模擬多出口條件n應(yīng)用Outflow 邊界條件:n默認(rèn)條件下，質(zhì)量流平均分配.n默認(rèn)條件下流量權(quán)重 (FRW) 設(shè)為1.n對(duì)于不均勻的流動(dòng)分布:n設(shè)定各出口的流量權(quán)重: mi=FRWi/FRWi.n各出口靜壓根據(jù)流動(dòng)

27、的分布不同而不同. n也可以采用壓力出口條件設(shè)定.pressure-inlet (p0,T0)pressure-outlet (ps)2velocity-inlet (v,T0)pressure-outlet (ps)1orFRW2velocity inletFRW1其它進(jìn)口和出口邊界條件n質(zhì)量流量入口n用于可壓縮流動(dòng)設(shè)定入口的質(zhì)量流量.n對(duì)于不可壓縮流動(dòng)是不必要的.n壓力遠(yuǎn)場(chǎng)條件n在密度基于理想氣體假設(shè)計(jì)算的情況下是有用的.n對(duì)于無(wú)限大流場(chǎng)中的外流計(jì)算問題.n排氣風(fēng)扇和通風(fēng)出口Exhaust Fan/Outlet Ventn在出口處存在壓力的增高或降低.n進(jìn)氣風(fēng)扇和通風(fēng)入口Inlet Ven

28、t/Intake Fann在入口處存在壓力的增高或降低.固壁條件n包含流體和固體的表面.n對(duì)于粘性流動(dòng)，采用無(wú)滑移的條件:n壁面上流體切向速度等于固壁速度.n法向速度為 0n傳熱邊界條件:n溫度、熱量和輻射等多種條件.n固壁材料的傳熱可定義為一維的傳熱計(jì)算.n對(duì)于湍流，固壁上的粗糙度可定義.n壁面剪切速率和傳熱特性決定于壁面附近的流場(chǎng).n固壁可設(shè)定平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)移動(dòng).對(duì)稱邊界條件n減少計(jì)算流域.n流場(chǎng)和幾何結(jié)構(gòu)必須對(duì)稱:n對(duì)稱面上的法向速度為零n對(duì)稱面上的所有參量梯度為零n對(duì)稱面不需輸入?yún)?shù).n對(duì)稱面的設(shè)定需慎重.n也可用于模擬粘性流動(dòng)中的滑移壁面symmetry planes周期性（Period

29、ic）邊界條件n幾何結(jié)構(gòu)及其流動(dòng)或傳熱具有周期性特征.n減少計(jì)算流域和計(jì)算量.nFLUENT里可用的兩種形式.n通過周期面的p = 0.n旋轉(zhuǎn)和平移周期性條件.n旋轉(zhuǎn)周期性條件需要區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).n通過周期面存在一定的p.n默認(rèn)條件下，F(xiàn)LUENT設(shè)定為平移周期性條件.周期性條件:例子computational domainStreamlines in a 2D tube heat exchangerflow directionTranslationally periodic boundaries4 tangential inletsRotationally periodic boundari

30、es p = 0: p 0:軸對(duì)稱條件n主要用于:n中心軸對(duì)稱網(wǎng)格n 3D O-type gridn設(shè)定:n不需另外設(shè)定參數(shù)AXIS boundary單元域: 流體n流體域 = 需求解的各單元組合.n流體參數(shù)輸入.n組份，相.n允許設(shè)置源項(xiàng):nmass, momentum, energy, etc.n定義為層流 n可以定義為多孔滲流.n設(shè)定旋轉(zhuǎn)周期流動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸.n定義流域的運(yùn)動(dòng).多孔介質(zhì)（Porous Media）條件n處理為特殊的流域.n在 Fluid panel激活.n壓力損失可通過輸入的阻力系數(shù)確定， 或由集中參數(shù)模型計(jì)算.n用于模擬通過多孔介質(zhì)的流動(dòng) 或其它分布式結(jié)構(gòu)的阻力.,n過濾器

31、n過濾紙n多孔板n流體分布器n管束移動(dòng)區(qū)域n單區(qū)域:n旋轉(zhuǎn)參考系模型n流動(dòng)采用移動(dòng)的參考坐標(biāo)系描述n應(yīng)用上限制較多n多區(qū)域:n每個(gè)區(qū)域均采用不同坐標(biāo)系描述:n多參考坐標(biāo)系模型n混合面模型n一個(gè)區(qū)域出口的流場(chǎng)參數(shù)用作 相鄰的下一個(gè)區(qū)域的入口條件.n每個(gè)區(qū)域定義為移動(dòng)網(wǎng)格:n滑移網(wǎng)格模型n定義分界面.n網(wǎng)格位置需要計(jì)算，非定常n動(dòng)網(wǎng)格單元域: 固體n固體域 = 需求解熱傳導(dǎo)問題的固體單元組合.n不需求解流動(dòng)n對(duì)于材料處理，還可設(shè)定為流體，但沒有對(duì)流發(fā)生.n還允許輸入固體內(nèi)的熱源.n可以定義固體區(qū)域的運(yùn)動(dòng)內(nèi)面（Internal Face）條件n定義單元面n沒有厚度n用于分割不同區(qū)域.n用于實(shí)現(xiàn)以下物

32、理模型:n旋轉(zhuǎn)機(jī)械n多孔滲水.n內(nèi)部的固壁 3、網(wǎng)格技術(shù)網(wǎng)格的重要性網(wǎng)格的重要性計(jì)算流體力學(xué)（計(jì)算流體力學(xué)（CFDCFD）的基本思想是：用一系列有限的離散點(diǎn)上的值的集合，來(lái)代替原來(lái)在空間和時(shí)）的基本思想是：用一系列有限的離散點(diǎn)上的值的集合，來(lái)代替原來(lái)在空間和時(shí)間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(chǎng)。具體做法就是對(duì)控制方程在規(guī)定的區(qū)域上進(jìn)行離散，從而轉(zhuǎn)變?yōu)樵诟麟x散點(diǎn)間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(chǎng)。具體做法就是對(duì)控制方程在規(guī)定的區(qū)域上進(jìn)行離散，從而轉(zhuǎn)變?yōu)樵诟麟x散點(diǎn)上定義的代數(shù)方程組，然后用線性代數(shù)的方法迭代求解。上定義的代數(shù)方程組，然后用線性代數(shù)的方法迭代求解。 網(wǎng)格作為計(jì)算區(qū)域離散的產(chǎn)物，其好壞不僅直接關(guān)系到數(shù)值計(jì)

33、算的穩(wěn)定性、收斂性和計(jì)算效率，而且還關(guān)網(wǎng)格作為計(jì)算區(qū)域離散的產(chǎn)物，其好壞不僅直接關(guān)系到數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性、收斂性和計(jì)算效率，而且還關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的正確性和分辨率。系到計(jì)算結(jié)果的正確性和分辨率。網(wǎng)格分類網(wǎng)格分類n 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)網(wǎng)格網(wǎng)格系統(tǒng)中結(jié)點(diǎn)排列有序，網(wǎng)格系統(tǒng)中結(jié)點(diǎn)排列有序，鄰點(diǎn)間的關(guān)系明確。鄰點(diǎn)間的關(guān)系明確。n 貼體網(wǎng)格貼體網(wǎng)格把物理平面上的不規(guī)則區(qū)域變換成計(jì)算平面上的規(guī)則區(qū)域把物理平面上的不規(guī)則區(qū)域變換成計(jì)算平面上的規(guī)則區(qū)域n 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格網(wǎng)格系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的位置無(wú)法用一個(gè)固定的網(wǎng)格系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的位置無(wú)法用一個(gè)固定的法則予以有序地命名。法則予以有序地命名。優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)點(diǎn)缺缺 點(diǎn)點(diǎn)結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)網(wǎng)網(wǎng)

34、 格格1.可以方便準(zhǔn)確地處理邊界條件可以方便準(zhǔn)確地處理邊界條件 2.計(jì)算精度、效率高計(jì)算精度、效率高3.可以采用許多高效隱式算法和可以采用許多高效隱式算法和 多重網(wǎng)格法多重網(wǎng)格法 對(duì)外形復(fù)雜的計(jì)算區(qū)域，網(wǎng)格生成較難對(duì)外形復(fù)雜的計(jì)算區(qū)域，網(wǎng)格生成較難 非結(jié)構(gòu)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)網(wǎng) 格格1.適合于復(fù)雜區(qū)域的網(wǎng)格劃分，特適合于復(fù)雜區(qū)域的網(wǎng)格劃分，特 別對(duì)奇性點(diǎn)的處理很簡(jiǎn)單別對(duì)奇性點(diǎn)的處理很簡(jiǎn)單2.其隨機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更易于作網(wǎng)格其隨機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更易于作網(wǎng)格 自適應(yīng)，以便更好地捕獲流場(chǎng)的自適應(yīng)，以便更好地捕獲流場(chǎng)的 物理特性物理特性 1.網(wǎng)格生成的工作量大網(wǎng)格生成的工作量大2.離散方程的求解速度較慢，離散方程的求解速

35、度較慢， 求解精度不高求解精度不高3.無(wú)法使用高精度的有限差分無(wú)法使用高精度的有限差分 格式格式應(yīng)當(dāng)指出，除了應(yīng)當(dāng)指出，除了PHOENICSPHOENICS的前處理器能提供結(jié)構(gòu)網(wǎng)格外，當(dāng)前流行的各類商業(yè)的前處理器能提供結(jié)構(gòu)網(wǎng)格外，當(dāng)前流行的各類商業(yè)CFDCFD軟件，包括軟件，包括fLUENTfLUENT（GAMBITGAMBIT）、）、CFXCFX（ICEMICEM）、）、STAR-CDSTAR-CD、POLYFLOWPOLYFLOW等都只能提供非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格！等都只能提供非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格！GambitGambit簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介GAMBIT GAMBIT 軟件是軟件是Fluent Fluent 公司提供的前處

36、理器軟件，它公司提供的前處理器軟件，它包含功能較強(qiáng)的幾何建模能力和強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分工具。包含功能較強(qiáng)的幾何建模能力和強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分工具。GAMBITGAMBIT可以生成可以生成FLUENT6FLUENT6、FLUENT5.5FLUENT5.5、FIDAPFIDAP、POLYFLOWPOLYFLOW等求解等求解器所需要的網(wǎng)格。器所需要的網(wǎng)格。用戶可以直接使用用戶可以直接使用Gambit Gambit 軟件軟件建立復(fù)雜的實(shí)體模型，也可以從主流的建立復(fù)雜的實(shí)體模型，也可以從主流的CAD/CAE CAD/CAE 系統(tǒng)中直接讀入數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中直接讀入數(shù)據(jù)。Gambit GUIGambit GUIGlobal

37、 Control Command Line& Windows Description window Main MenuBarOperationTool padOperation Tool PadsOperation Tool PadsBoundary LayerEdgeFace VolumeGroupBoundary Types Boundary EntityContinuum Types Continuum EntityVertexEdgeFace VolumeGroupCoordinate systems模型創(chuàng)建Creating Geometryn 自下而上的圖形生成自下而上的圖形

38、生成:Bottom-up:Bottom-up點(diǎn)點(diǎn)vertexvertex線線edgeedge面面faceface體體volumevolumen 自上而下的圖形生成自上而下的圖形生成:Top-down:Top-downABSubtract AWith B通過通過BooleanBoolean和和SplitSplit操作創(chuàng)建實(shí)體操作創(chuàng)建實(shí)體CDCSplit CWith D網(wǎng)格剖分n 2D2D：Face meshingFace meshingn Gambit Gambit自動(dòng)選擇自動(dòng)選擇Quad elementQuad element作為默認(rèn)的網(wǎng)格類型作為默認(rèn)的網(wǎng)格類型n GambitGambit根據(jù)

39、選定的求解器（根據(jù)選定的求解器（solversolver）和面上頂點(diǎn)（）和面上頂點(diǎn)（vertexvertex）的類型選擇網(wǎng)格剖分的規(guī)則（）的類型選擇網(wǎng)格剖分的規(guī)則（scheme scheme typetype） Element/Scheme TypeElement/Scheme Type的組合情況的組合情況ElementQuadQuad/TriTriSchemetypeMapSubmapPaveTri-PrimitiveMapPaveWedgePavenQuad: MapnQuad: SubmapnQuad: Tri-PrimitivenQuad: PavenQuad/Tri: MapnQua

40、d/Tri: PavenQuad/Tri: WedgenTri: Paven 3D3D：Volume meshingVolume meshingn Gambit Gambit根據(jù)選定的求解器（根據(jù)選定的求解器（solversolver）和體上面（）和體上面（faceface）的類型選擇網(wǎng)格類型（）的類型選擇網(wǎng)格類型（elementelement）和剖分）和剖分規(guī)則（規(guī)則（scheme typescheme type）n 當(dāng)存在二義性情況時(shí)，當(dāng)存在二義性情況時(shí)，GambitGambit會(huì)默認(rèn)使用混合網(wǎng)格（會(huì)默認(rèn)使用混合網(wǎng)格（Tet/HybridTet/Hybrid）和）和TGridTGrid規(guī)則

41、規(guī)則Element/Scheme TypeElement/Scheme Type的組合情況的組合情況ElementHexHex/WedgeTet/HbridSchemetypeMapSubmapTet-PrimitiveCooperStairstepCooperTGridnHex: MapnHex: SubmapnHex: Tet-PrimitivenHex: CoopernHex: StairstepnHex/Wedge: CoopernTet/Hybrid: TGrid評(píng)價(jià)網(wǎng)格質(zhì)量n一般，我們通過等角斜率（一般，我們通過等角斜率（ EquiAngle SkewEquiAngle Skew）來(lái)評(píng)價(jià)網(wǎng)格質(zhì)量）來(lái)評(píng)價(jià)網(wǎng)格質(zhì)量nE