Fluent出入口边界条件设置及实例解析

1、问：用了很长时间的fluent ，但一直没有把压力出入口边界条件弄明白。请大侠给予正确指导. 有的文档说亚声速流下initial 是0或者不填，而有的出版物则把total 和initial 设置成几乎想等的值，或者差值为大气压，很困惑！比如说在一个喷射（亚声速流）流场中，实际条件为喷嘴入口压力40MPa ，出口压力20MPa ，即流场内围压20MPa ，这时，在压力入口边界条件的总压、初始表压以及压力出口的表压分别应该设置多少？如果是超声速流，又有什么区别？还有，operating condition下的operating pressure是否设置成0或者大气压有什么说法吗？ A ：有的出版物

2、则把total 和initial 设置成几乎想等的值。我在使用时一般也是采用这样的方法，严格来讲是有公式来计算的。但是这个值一般只是用于初始化，对结果影响不大，所以简单来讲就设置成和出口的一样。这个值对流场的初始化有一定的影响，设置成0也不是不可以，但会增加迭代步数。对于喷射而言，建议lz 将operating condition下的operating pressure设置为0 ，即是绝对压力。二最近用Fluent 做模拟的时候一直在使用压力出口边界，对其中出口温度、组分浓度等值的设置不是很明白，就仔细看了下Fluent User Guide，对压力出口边界描述如下：Pressure outl

3、et boundary conditions require the specification of a static (gauge pressure at the outlet boundary.All other flow quantities are extrapolated from the interior。因此，压力出口边界可以这样表述，即，给定出口压力，对流动中的其他物理量均有流场内部值差值得到。那边界条件面板中设定的温度（等）值有什么用呢？是出现回流时的回流值。三Fluent 内部计算采用的都是相对压强。在Define Operating Conditions中，所示的Ope

4、rating Pressure是操作压强。默认的操作压强为一个大气压101325Pa.下面叙述一下笔者对采用Operating Pressure原因的理解。在计算低马赫数的流动中，流体流速相对声速较低，这样在流动过程中产生的压力降或者说压力变化相对于流体的静压来讲是很小的。因为在流动中有压力相对变化 和马赫数的平方在一个数量级。笔者通常这样理解压力变化的缘由：粘性力、体积力、电磁力等有些力是无法避免的，这些力在会改变流动流体的动量和能量。在流 动过程中，流体又遵循能量守恒和动量守恒。速度的变化还和当地的流动截面有关，因为流动还要求质量守恒。速度和压力是不可分割的。压强的存在时刻使得能量和动量守

5、恒。 笔者认为压强的存在是一种调配功能，它体现的是一个因变量的作用，用以平衡各项，使得流动遵守三大定律。但流动同时是耦合的，压强的作用当然不仅仅是这 些。温度的改变、速度梯度的变化还直接影响密度、粘性和粘性应力，这样所有的力都和速度产生了关联。力和能量是无法分割的，和动量更是有直接关系。再表前 题，压力的相对变化和马赫数的平方成正比，当Ma<<1时，P/PMa²<<1,这样在求解方程的时候如果所有节点的压力仍然采用P 就会产生相当大的舍入误差。因此Fluent 特地在 Operating Conditions面板设置了Operating Pressure选项，

6、如此在内部的计算过程中，所有节点的压力将首先减去该值（默认为101325Pa ）然后进行计算。熟悉控制方程的读者都知道，压力 在所有方程中都是以相对量或者变化量出现的，故此这样处理并不是更改方程，而是在方程的两端都减去了一个常数值，使得所解的压力变化和在方程中的压力值处 在一个数量级，这样，在迭代的过程中舍入误差将会大大减小。当选用的计算流体为可压缩流体（ideal gas等）时，会出现如下警示：Warning: Velocity inlet boundary conditions are not appropriate for compressible flow problems. Plea

7、se change the boundary condition types used for this problem.即速度入口的边界条件不适用于可压缩流体问题，如果忽略该警示而继续计算，那么计算结果是没有意义的。这是因为可压缩流体的密度与压力直接相关，速度入口无法准确提供入口工质所处压力，因此其密度不具备可信度，计算所得自然无意义。此时，可以采用将入口边界设置为Pressure-inlet 。需要注意，在设置了Operating Pressure之后，一些边界条件的设置面板上还会出现 gauge pressure 选项，这其实是顾及了一些位置的压力变化，因为有些入口或者边界的压力可能并不

8、是当初设定的Operating Pressure，工况千变万化，Fluent 为了减小自己本身的计算量和提高对实际情况的仿真程度，设定了这一选项。比如已经设定了Operating Pressure 为101325 Pa，但由于某种原因你的压力出口处压力并非101325，而是201325，这个时候就需要设置gauge pressure为 201325 - 101325 = 100000.界面上显示的Supersonic （超音速的；超声波的）/Initial Gauge Pressure指静压强。可能表示的是流体静止时总压相对于操作压强的值，静压Ps 按可压缩等熵流动关系式，根据总压Po 、M

9、数计算：Po/Ps=(1+(k-1/2*M2(k/(k-1k 为气体绝热指数。Gauge Total Pressure 指的是总压。根据可压缩流体的等熵过程可知，流体的运动将使得总压加大，而且已经有公式可以计算。计算所得的总压减去操作压强极为要设置的值。对于操作密度（operating density）的设置，Fluent 的帮助文档中提到，如果并没有使用波斯尼斯假设（Boussinesq approximation）而所求解的场又有重力和流动，那么推荐设定operating density。在默认情况下，fluent 通过遍历流体区域求得的密度的均值作为operating density，是

10、以在具有流动的算例中，即使不设定operating density，系统也会自行设定。而往往通过显示地自定义操作密度会达到更好收敛效果。operating density在fluent 中的调用过程如下：在动量方程或者能量方程中，压力项重定义为 ：p=p-（operating density）*g*h笔者自己理解的是，fluent 将重力中恒定的那一部分影响集成到了压力梯度中，通过压力修正方式解算出压力场和速度场之后，再把压力中减去的那部分重力影响加上。设定的操作密度就以流动区域的平均密度为准即可。设置的大小本质上不影响求解的流场结果，但会影响压力场。四FLUENT 中存在很多种压力，包括参考

11、压力P ref ，绝对压力P abs ，相对压力P rel ，表压 Pgauge ，总压P total ，动压P dynamic ，静压P static ，大气压P atm 等。这里以一个实例来说明这些压力关系。静压是指气流在流动过程中实际存在的一种压强。它应该是压强感受器随气流一起运动时（即与气流无相对运动）所测出来的压强。1 流体在静止时所产生的压力。2 流体在流动时产生的平行于流体运动方向的压力。3流体中不受流速影响而测得的表压力值。这些压力之间的关系：pabs=pstatic+pref 绝对压力，是静压和参考压力之和patm=pgauge+pref 参考压力与表压之和为当地大气压 （错

12、误？）pabs=pgauge+patm 绝对压力=表压力+大气压力ptotal=pstatic+pdynamic 总压是静压与动压之和(二者可以互变pdynamic=(v2/2在fluent 中会出现这么几个压力： Staticpressure （静压）Dynamicpressure （动压）Totalpressure （总压） 这几个压力是空气动力学的概念, 它们之间的关系为:Totalpressure （总压）=Staticpressure（静压z ）+Dynamicpressure（动压） 滞止压力等于总压(因为滞止压力就是速度为0时的压力, 此时动压为0. Staticpressure

13、 （静压）就是你测量的，比如你现在测量空气压力是一个大气压而在fluent 中，又定义了两个压力：Absolutepressure （绝对压力）Relativepressure （参考压力） 还有两个压力operatingpressure （操作压力）gaugepressure （表压） 它们之间的关系为:Absolutepressure （绝对压力）=operatingpressure（操作压力）+gaugepressure（表压） 上面几个压力实际上有些是一一对应的，只是表述上的差别，比如： Staticpressure （静压）gaugepressure （表压） 定义操作压力对于可压缩

14、流动：把操作压力设为0，把表压看作绝对压力静压就是我们寻常意义上的压力，可以用压力表测量获得。其值是一个绝对压力值，但是在软件中表现为一个相对于操作压力的相对值。在fluent 中静压的英文名称为static pressure，在cfx 中，pressure 就是指的静压.不可压缩流动中，计算域内总压是守恒的。通常入口设置总压值和静压值。该处的静压值用于初始化。压力出口需要设置静压值。不可压流动中入口可以设置速度值，此时出口可以设置自由出流。压力边界与自由出流边界容易导致收敛问题，有时还会导致非物理解。可压缩流动中，入口可以设置压力也可以设置流量。若为压力入口，则需要设置静压值，此时若出口为静

15、压出口时，则压力出口失效，出口的压力是通过内部迭代计算得到。可压缩流动中，若入口为流量边界，则计算域内总压不守恒，流量守恒。求解器通过调整总压值以满足流量要求。此时收敛会很难。因此，若流量与压力均已知的情况下，优先使用压力入口总压是静压与动压的和。在FLUENT 的压力入口中常要求用户输入总压值，其实这里是同时考虑了压力与速度的。因此在压力入口位置仅仅只是输入压力表读数是不对的，因当考虑速度的。当然若此处速度为0的话，总压值与静压值相等。Gauge pressure is zero-referenced against ambient air pressure, so it is equal

16、to absolute pressure minus atmospheric pressure.表压是一种相对压力，为真实压力与大气压间的差值绝对压力是真实压力。其值等于静压与参考压力值的和。之所以出现绝对压力，主要是从数值上考虑。比如说，若计算域内各位置的压力值都很大，而在整个计算过程中压力变化很小的话，则在计算过程中容易出现压力变化值被湮没的情况。此时需要将参考压力设置为一个较大的值，以使各相对压力值与压力变化值在一个数量级内，这样能够提高数值精度。记住：CFD 软件计算的压力值都是相对值。若想得到绝对压力值，可设置参考压力值为0。FLUENT 默认参考压力值为一个大气压101325Pa

17、。FLUENT 中关于压力的两个重要概念是：伯努利方程与等熵条件。一个用于不可压缩一个用于可压缩中。压力系数,Cp, 是表征静压相对动压变化的物理量Cp = (P - P/(v2/2,FLUENT 中的计算方法 Cp = (Pstatic Pgauge/( v2/2. 1、计算条件计算模型为旋转轴对称模型，半径100mm 。 图 2 计算网格计算用网格如图2所示。流体密度，粘度，选择Realizable k-epsilon模型，增强壁面函数模型。 图 3 求解方法求解方程使用Coupled ，其他方程使用二阶格式以提高精度。设置残差标准1e-6。2、结果分析计算条件：入口采用速度入口，速度1m

18、/s，出口使用outflow ，参考压力设置为101325。静压分布与速度分布云图分布如图4、图5所示。动压分布如图6所示。从上述三幅图可以看出一下关系：（1）速度分布趋势与动压分布趋势保持一致，即速度大的区域，动压也较大（2）静压分布于速度分布呈相反趋势，即静压大的区域速度较小。 图 4 静压分布 图 5 速度分布 图 6 动压分布 图 7 绝对压力图7为绝对压力分布，其分布趋势与图4所示的静压分布趋势完全一致，所不同的只是物理量大小，它们的值相差101325，即所设置的参考压力。下面以axis 边界上物理量进行研究 图 8 axis边界压力关系曲线图8为axis 边界上静压、动压及总压关系

19、，很明显的可以看出，总压=静压+动压。新建一个变量PressureSum ，其表达式为Dynamic Pressure+Pressure，观察其与totoalPressure 的区别。如图9所示，两物理量的值基本保持一致。 图 9 总压与自定义压力曲线4、进出口物理量分析进出口物理量主要是总压与流量，这里采用Report 方式进行比较。选择Reports 类型为Surface Integral ，弹出的对话框进行图11所示设置。设置Report Type为Area-Weighted Average，选择变量为Total Pressure，选择Surfaces 为inlet 与outlet 。

20、总压报告结果如图12所示，可见进出口位置总压是不守恒的. 图 12 报告结果下面观察进出口流量。选择图13对话框中的Report Type为Mass Flow Rate。 图 13 流量报告从图12的流量报告可以看出，使用速度入口，其计算域内流量守恒。沿X 方向以100mm 为间距建立截面，报告截面流量，如图14所示。 图 14 各截面流量从图中可以看出，任意界面的质量流量均保持守恒。5、压降系统压降定义为入口静压与出口静压的差。 图 15 压力根据图中压力数据可以计算出系统压力降4.464+207.794Pa=212.281Pa6、总结本次采用速度入口配合outflow 出口边界研究各种压力

21、关系，得出以下结论：（1）FLUENT 软件计算出的压力值为相对压力值，绝对压力值需要在相对压力值的基础上附加设置的参考压力值。（2）总压值=静压值+动压值（3）系统动压（4）采用速度入口时，系统内保持流量守恒，总压值在系统内是浮动的（5）轴对称简化的2D 几何模型，计算流量时计算的是3D 截面上的流量下面利用总压入口静压出口配合研究系统内压力分布上面谈了不可压缩流动中速度入口，自由出口边界组合的计算模型内各种压力关系，以下采用相同的模型，不过使用压力边界。FLUENT 中压力边界包括压力入口边界及压力出口边界。入口：压力入口，总压500Pa出口：压力出口，静压0Pa其他条件保持不变。1、进出

22、口流量统计 图 1 流量统计利用Report 中的Flux 进行流量统计，如图1所示，可以看出，在不可压缩流动中，进出口流量是守恒的。2、各种压力统计利用Report 中的Surface Integral进行压力统计，这里取Area-Weighted Average。 图 2 压力统计图2为各种压力统计，从图中的数据可以得出以下结论：（1）入口设置的是总压，但静压不为0，出口设置的静压为0，统计得出的静压与设置值一致。（2）入口与出口动压基本保持一致，由于流量守恒，所以出口与入口平均速度保持一致，它们的细微差别在于出口位置速度分布不一致所造成，近似可认为它们一致。（3）入口总压统计值为500Pa ，与输入值保持一致