1、第五章 邊界條件5-1 FLUENT程序邊界條件種類Example: Face and Cell zones associated with Pipe Flow through orifice plate進口出口壁面orifice(interior)orifice_plate and orifice_plate-shadow流體FLUENT的邊界條件包括：1， 流動進、出口邊界條件2， 壁面，軸對稱和周期性邊界3， Internal cell zones：fluid, solid (porous is a type of fluid zone )4， Internal face boundar

2、ies：fan, radiator, porous jump, wall, interior 52 流動進口、出口邊界條件FLUENT提供了10種類型的流動進、出口條件，它們分別是：«一般形式： «可壓縮流動：壓力進口 質(zhì)量進口壓力出口 壓力遠場«不可壓縮流動： «特殊進出口條件：速度進口 進口通分，出口通風自由流出 吸氣風扇，排氣風扇1， 速度進口（velocity-inlet）：給出進口速度及需要計算的所有標量值。該邊界條件適用于不可壓縮流動問題，對可壓縮問題不適用，否則該入口邊界條件會使入口處的總溫或總壓有一定的波動。2， 壓力進口（pressur

3、e-inlet）：給出進口的總壓和其它需要計算的標量進口值。對計算可壓不可壓問題都適用。3， 質(zhì)量流進口（mass-flow-inlet）：主要用于可壓縮流動，給出進口的質(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)，我們可以用速度進口條件。4， 壓力出口（pressure-outlet）：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。該邊界條件只能用于模擬亞音速流動。5， 壓力遠場（pressure-far-field）：該邊界條件只對可壓縮流動適合。6， 自由出流（outflow）： 該邊界條件用以模擬在求解問題之前，無法知道出口

4、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。但并不是所有問題都適合，有三種情況不能用自由出流邊界條件：包含壓力進口條件；可壓縮流動問題；有密度變化的非穩(wěn)定流動（即使是不可壓縮流動）。7， 進口通風（inlet vent）：進口風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， 進口風扇（intake fan）：進口風扇條件需要給定壓降，流動方向和環(huán)境總壓和總溫。9， 出口通風（out let vent）：排出風扇給定損失系數(shù)和環(huán)境靜壓和靜溫。10, 排氣扇（exhaust fan）：排除風扇給定壓降，環(huán)境靜壓。11，對稱邊界（symmetry）：對

5、稱邊界條件適用于流動及傳熱場是對稱的情況。12，周期性邊界（periodic）：如果我們關心的流動，其幾何邊界，流動和換熱是周期性重復的，那么可以采取周期性邊界條件。13，固壁邊界（wall）：對于粘性流動問題，F(xiàn)LUENT默認設置是壁面無滑移條件。對于壁面有平移運動或者旋轉(zhuǎn)運動時，可以指定壁面切向速度分量，也可以給出壁面切應力從而模擬壁面滑移。53 速度進口邊界條件（velocity-inlet）給出進口速度及需要計算的所有標量值。該邊界條件適用于不可壓縮流動問題，對可壓縮問題不適用，否則該入口邊界條件會使入口處的總溫或總壓有一定的波動。邊界條件設置的主要輸入量如圖示，包括：l 速度大小，方

6、向或各速度分量；Velocity magnitude and direction or velocity componentsl 周向速度（軸對稱有旋流動）；Swirl velocity (for 2D axisymmetric problems with swirl)l 靜溫（考慮能量）；Temperature (for energy calculations)l 出流表壓（對于耦合求解器）；Outflow gauge pressure (for calculations with the coupled solvers)l 湍流參數(shù)（考慮湍流計算）；Turbulence parameter

7、s (for turbulent calculations)l 54 壓力進口邊界條件（pressure-inlet）壓力進口邊界條件通常用于給出流體進口的壓力和流動的其它標量參數(shù)，對計算可壓和不可壓問題都適合。壓力進口邊界條件通常用于不知道進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。壓力邊界條件的設置如圖，其中第一項的表壓強與絕對壓強，操作壓強有如下關系： 51Operating pressure 輸入：Define>operating conditions 表壓operating pressure壓

8、力水平operating pressure絕對壓力真空另外還應注意，這里給出的表壓強的大小，是入口邊界上的總壓。 不可壓縮流動 51 可壓縮流動 52壓力進口條件需要輸入的主要參數(shù)：l 總壓；Total (stagnation) pressurel 總溫；Total (stagnation) temperaturel 流動方向；Flow directionl 靜壓；Static pressurel 湍流參數(shù)（用于湍流計算）；Turbulence parameters (for turbulent calculations)l 輻射參數(shù)（考慮輻射）；Radiation parameters (f

9、or calculations using the P-1 model, the DTRM, the DOmodel, or the surface-to-surface model)l 化學組分質(zhì)量分數(shù)（考慮化學組分）；Chemical species mass fractions (for species calculations)l 混合分數(shù)及其方差（用PDF燃燒模型）；Mixture fraction and variance (for non-premixed or partially premixed combustion calculations)l 55 質(zhì)量流量進口邊界條件（

10、mass-flow-inlet）給定入口邊界上的質(zhì)量流量。主要用于可壓縮流動問題，對于不可壓縮問題，由于密度是常數(shù)，可以使用速度入口條件。質(zhì)量進口條件包括兩種：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。給定進口邊界上的質(zhì)量流量，此時局部進口總壓是變化的，用以調(diào)節(jié)速度，從而達到給定的流量，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)先選擇用壓力進口條件。對于不可壓速流動，由于密度是常數(shù)，可以選擇用

11、速度進口邊界條件。56 壓力出口邊界條件（pressure-outlet）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?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：出口靜壓，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)量分數(shù)（有限速率模型模擬組分輸運），混合物質(zhì)量分數(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。回流流動方向與出

12、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： 53 即使是周向旋轉(zhuǎn)速度為零，該邊界條件也可以用。57壓力遠場邊界條件（pressure-far-field）如果知道來流的靜壓和馬赫數(shù)，F(xiàn)LUENT提供了的壓力遠場邊界條件來模擬該類問題。該邊界條件只適合

13、用理想氣體定律計算密度的問題，而不能用于其它問題。為了滿足壓力遠場條件，需要把邊界放到我們關心區(qū)域足夠遠的地方。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)。壓力遠場邊界條件是一種不反射邊界條件。對于流動為亞音速流動問題，對于來波和流出波，有兩個Riemann不變量。 54 55 n下標速度表示垂至于邊界的速度大小， c是當?shù)匾羲伲抢硐霘怏w的比熱比，表示邊界，i表示內(nèi)部區(qū)域。根據(jù)兩個不變量，我們可以得到： 56 57需要給出的參數(shù)：靜壓，馬赫數(shù)，溫度，來流方向，湍流參數(shù)等。58 自由流出邊界條件（outflow）如果我們

14、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，就不能用流出邊界條件：1， 包含壓力進口條件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（流動速度（溫度等）分布在流動方向上不變化。當然，在徑向允許有梯度存在，只是假

15、定在垂直出口面方向上擴散通量為零。59 進口通風邊界條件（inlet Vent）需要給定進口損失系數(shù)，流動方向和進口環(huán)境總壓及總溫。對于進口通風模型，假定進口風扇無限薄，通風壓降正比于流體動壓頭和用戶提供的損失系數(shù)。假定是流體密度，是無量綱損失系數(shù)，則壓降為： 58其中，v是與通風方向垂直的速度分量。是流動方向上的壓降。510 進口風扇邊界條件（inlet fan）需要給定壓降，流動方向和環(huán)境（進口）總壓和總溫。假定進口風扇無限薄，并且有不連續(xù)的壓力升高，壓力升高量是通過風扇速度的函數(shù)。如果是反向流動，風扇可以看成是通風出口，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

16、量的函數(shù)形式。 511 出口通風邊界條件（outlet vent）出口通風邊界條件用于模擬出口通風情況，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)。壓力損失 59512 排氣扇邊界條件（exhaust fan）需要給定風扇壓降，環(huán)境總壓。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 對稱邊界條件（symmetry）對稱邊界條件應用于計算的物理區(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

17、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)，只需要確定合理的對稱位置。該邊界條件可以用于粘性流中運動邊界處理。514 周期性邊界條件（periodic）如果我們關心的流動，其幾何邊界，流動和換熱是周期性重復的，則可以采用周期性邊界條件。FLUENT提供了兩種類型：一類是流體經(jīng)過周期性重復后沒有壓降（cyclic）；另外一類有壓降(periodic)。Translationally periodic boundaries4 tangential inletsRotationally periodic boundariesl Dp = 0:computational domainStreamlines in a 2D tube heat exchangerflow directionl Dp > 0:515 固壁邊界條件（wall）對于粘性流動問題，F(xiàn)LUENT默認設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)運動時），也可以給出壁面切應力從而模擬壁面滑移。根據(jù)當?shù)亓鲃忧闆r，可以計算壁