第四章,边界条件

1、第四章，边界条件 计算流体与传热传质 概述 o进口与出口边界 n速度 o速度及其分布 o湍流参数 n压力边界条件 and others. o壁面, 对称, 周期性和轴Axis边界 o内部区域 n流体（Fluid） o多孔介质（Porous Media） o移动区域（Moving Cell Zones） n固体（Solid） o内部边界 计算流体与传热传质 Overview o边界条件: n边界条件决定流动. n数学模型求解的需要. o给定进入计算区域的流率或通量. n如 mass, momentum, 和 energy oFluid/Solid regions represented by c

2、ell zones. nMaterial and Source terms are assigned to cell zones. oBoundaries and internal surfaces are represented by face zones. nBoundary data are assigned to face zones. Example: Face and Cell zones associated with Pipe Flow through orifice plate inlet outlet wall orifice (interior) orifice_plat

3、e and orifice_plate-shadow fluid 计算流体与传热传质 边界条件设置 o每个区（流体、固体）首先在Gambit中预设， Fluent中可以修正与改动 o每个区域都必须有其对应的边界条件: Define Boundary Conditions. nChoose the zone in Zone list. nClick on selected zone type in Type list nClick Set. button oCan also select boundary zone in graphics window using right mouse but

4、ton. nUseful if: oSetting up problem for first time oTwo or more zones of same type in problem. 计算流体与传热传质 流动进口与出口 oFluent中进、出计算区域的边界条件: n一般流动一般流动 oPressure inlet oPressure outlet n不可压缩不可压缩 oVelocity inlet oOutflow o根据物理过程，选择合适的边界条件. o一般准则: n根据有流入与流出情况决定进口与出口的位置与形状. o尽可能选择收敛性好的边界条件. n在垂直边界的方向上不宜有较大的梯

5、度. o表明进口或出口位置位置选择不合理. n近壁处网格的偏斜尽可能小. n可压缩流动可压缩流动 o质量进口质量进口Mass flow inlet o压力远场压力远场Pressure far- field n特别特别 oInlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fan 计算流体与传热传质 速度进口：Velocity Inlets o给定速度矢量和标量进口值. o进口速度知道时，给定该条件尤为方便. n默认是均匀速度 o该边界条件针对不可压缩流动问题. n总(滞止)量（温度、压力等）不定. o总(滞止)量不定用以调节速度分布 n如果用于可压缩流动，

6、得到的解不复合物理意义. o壁面把速度进口放的太靠近障碍物. 计算流体与传热传质 给定曲线分布的进口 o用 UDFs 定义边界条件. n曲线可以是空间变化，也可以随时 间变化. o曲线可以: n从其它 CFD 软件模拟结果中读入 n产生一个格式文件，具有位置及边 界条件的信息。 o可以处理曲线分布边界条件命令: nDefine Profiles 计算流体与传热传质 确定湍流参数 o湍流经过 inlet, outlet边界, 或者在远边界条件下, FLUENT 需要提供如下边界 值 n湍动能 k 湍流耗散率 o给定湍流参数的四种方法: n直接给定 k 和 。 n给定turbulence inte

7、nsity 和 turbulence length scale n给定turbulence intensity 和 turbulent viscosity ratio n设定 turbulence intensity 和 hydraulic diameter o湍流强度与长度尺度取决于上游来流条件，比如 : n透平机械出口 Intensity = 20 % Length scale = 1 - 10 % of blade span n孔板和屏风下游 Intensity = 10 % Length scale = screen/hole size n完全发展的腔道或管内流动 Intensity

8、= 5 %Length scale = hydraulic diameter 计算流体与传热传质 压力边界条件 o压力边界条件要求输入表压 （ gauge pressure）: o工作压力（Operating pressure） 设置 : nDefine Operating Conditions o 适合压力边界条件设置的条件: n进口流量或速度不知道 (如浮力 驱动的流动). n外流的自由边界 或 需要确定的 自由流。 operatinggaugeabsolute ppp gauge pressure operating pressure pressure level operating p

9、ressure absolute pressure vacuum 计算流体与传热传质 压力边界条件 (1) oDefines total pressure, temperature, and other scalar quantities at flow inlets. oSupersonic/Initial Gauge Pressure: nDefines static pressure at boundary for locally supersonic flows. nUsed, if necessary, to initialize flow field for incompressi

10、ble flows. oTotal temperature: nmust be defined for compressible flows. nis used, if necessary, to set static temperature for incompressible flows. )1/(2) 2 1 1 ( kk statictotal M k pp 2 2 1 vpp statictotal 不可压缩流动 可压缩流动 计算流体与传热传质 压力边界条件 (2) o给定流动方向. n流动方向不合理，得到的解可能很不符合物理现象. o适合于：可压与不可压缩流动. nPressure

11、 inlet boundary is treated as loss-free transition from stagnation to inlet conditions. nMass flux through boundary varies depending on interior solution and specified flow direction. o压力进口的地方可能会有流出情况出现. n流动方向由求解结果决定. nExhaust static pressure is defined by value specified for gauge total pressure wh

12、erever outflow occurs. 计算流体与传热传质 压力出口：Pressure Outlet (1) o定义出口处的static (gauge) pressure. n流场流入什么样的压 力环境里. o可以给定压力径向分布. o压力出口处可能会出现回 流: n求解过程或者求解结 果中，都可能如此. n回流方向与出口边界 垂直的方向. n由于回流量具有“弹 性”，求解收敛性能 较好. n回流出现时，用静压 来给回流总压赋值. 计算流体与传热传质 压力出口边界 (2) o对于不可压缩流动: n静压给定边界压力 n其它量由流场内计算外推得到. o对于可压流动: n静压计算不考虑当地是否

13、是局部超音速. n所有计算量从计算区域里外推计算. o当进口条件设定为pressure inlet时，出口一定要用pressure outlet. 计算流体与传热传质 Outflow边界 oOutflow边界，除了压力之外，其它量的梯度为零。 oFLUENT 从流场内外推边界所需的信息. o特别有用的情况: n求解之前，不知道速度和压力的流动问题. n流动出口是，或接近是完全发展的流动. o注: 当求解过程中，或者求解结果具有回流时，用 Pressure Outlet 比用 Outflow出口条件更具有收敛优势. 计算流体与传热传质 Outflow 边界条件不能使用场合 oOutflow 边界

14、不能用于: n可压缩流动. nPressure Inlet 边界条件 : n变密度的非定常流动. o不适合的物理问题: n回流区 n流动方向有明显压力梯 度 n下游影响上游流动 outflow condition ill-posed outflow condition not obeyed outflow condition obeyed outflow condition closely obeyed 计算流体与传热传质 X Y 0123456 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 计算流体与传热传质 多出口边界条件数值模拟 o应用Outflow边界条件的前提:

15、 n默认设置，所有Outflow边界的质量流 量为进口流量均分. n默认设置流量权重 (FRW)为1 . n如果出口的流量不同，则: o制定各个出口的流量权重: mi=FRWi/FRWi. o出口压力不同，用于调节各个出口流 量. o可以采用Pressure边界条件. pressure-inlet (p0,T0) pressure-outlet (ps)2 velocity-inlet (v,T0) pressure-outlet (ps)1 or FRW2 velocity inlet FRW1 计算流体与传热传质 其它 Inlet/Outlet 边界条件 oMass Flow Inlet

16、n用于可压缩流动给定进口质量流量. n对于不可压缩流动，无需给定. oPressure Far Field n材料选择为理想气体时，才会有该选项. n用于给定自由流的可压缩流动状态，给定自由流的马赫数和静压， 静温等。 oExhaust Fan/Outlet Vent n如果出口有个压力抬升或损失，可以采用exhaust fan/outlet vent给定出口压力抬升或损失系数，以及环境压力与温度。 oInlet Vent/Intake Fan ninlet vent/intake fan用于进口给定压力的损失系数或压力抬升， 需要给定流动方向，环境（进口）压力及温度等参数。 计算流体与传热传

17、质 X Y 00.511.52 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 计算流体与传热传质 壁面边界条件 o用于分界流体与固体区域. o对于粘性流体流动, 不考虑壁面滑移: n壁面切向上的流体速度与壁面移动速度相同. n壁面法向上的流体速度为零。 o热边界条件: n有几种选项供选择. o湍流计算可以考虑壁面粗糙度的影响. n壁面切应力和换热取决于当地流动场的计算结果。 o可以给定壁面的平移速度或旋转速度. n也可以给定壁面切应力. 计算流体与传热传质 对称（Symmetry）边界条件 o可以减少计算区域，用于减少计算量. o流场和计算区域必须符合对称条件: o对称面

18、上的法向速度为零 o对称面上所有量在其法向上的梯度为零。 o无需给定任何值. n但必须给定轴对称的正确位置. oAlso used to model slip walls in viscous flow 对称平面 计算流体与传热传质 Axis Boundaries oUsed: nAt centerline (y=0) of an axisymmetric grid nWhere multiple grid lines meet at a point in a 3D O- type grid oSpecify: nNo inputs required AXIS boundary 计算流体与传热

19、传质 Cell Zones: Fluid oFluid zone = group of cells for which all active equations are solved. oFluid material input required. nSingle species, phase. oOptional inputs allow setting of source terms: nmass, momentum, energy, etc. oDefine fluid zone as laminar flow region if modeling transitional flow.

20、oCan define zone as porous media. oDefine axis of rotation for rotationally periodic flows. oCan define motion for fluid zone. 计算流体与传热传质 Porous Media Conditions oPorous zone modeled as special type of fluid zone. nEnable Porous Zone option in Fluid panel. nPressure loss in flow determined via user i

21、nputs of resistance coefficients to lumped parameter model. oUsed to model flow through porous media and other “distributed” resistances, e.g., nPacked beds nFilter papers nPerforated plates nFlow distributors nTube banks 计算流体与传热传质 Moving Zones oSingle Zone Problems: nRotating Reference Frame Model

22、odefine zone as Moving Reference Frame olimited applicability oMultiple Zone Problems: nEach zone defined as moving reference frame: oMultiple Reference Frame Model nleast accurate, least demanding on CPU oMixing Plane Model nfield data are averaged at the outlet of one zone and used as inlet bounda

23、ry data to adjacent zone. nEach zone defined as Moving Mesh: oSliding Mesh Model nmust also define interface. nMesh positions are calculated; time-accurate simulations nrelative motion must be tangential (no normal translation) 计算流体与传热传质 Cell Zones: Solid o“Solid” zone = group of cells for which onl

24、y heat conduction problem solved. nNo flow equations solved oMaterial being treated as solid may actually be fluid, but it is assumed that no convection takes place. oOnly required input is material type nSo appropriate material properties used. oOptional inputs allow you to set volumetric heat generation rate (heat source). oNeed to specify rotation axis if rotationally periodi