01

前言

在Fluent分析中邊界條件的設定是非常重要的，可對Fluent中的邊界條件進行簡易分類為進出口邊界條件、壁面條件、內部單元邊界、內部表面邊界等；

主要內容如下：

▉ 邊界條件內容

▉ 邊界條件作用

▉ 邊界條件設定基本原則

▉ 進出口邊界條件解析

▉ 壁面條件

▉ 內部單元邊界

▉ 內部表面邊界

▉ Interface、interior、internal

02

邊界條件解析

▉ 邊界條件內容

□ 邊界條件的內容主要有_

?定義邊界條件的位置信息(如進口、固體壁面、對稱位置面)；

?確定邊界上的各種參數信息；

?邊界條件的具體內容和計算中采用的物理模型、邊界條件的類型密切相關；

?邊界條件的設定會直接影響求解過程和所得到的結果；

**▉ **邊界條件作用

□ 邊界條件是數學模型中必需的部分，指引并限制流體的運動；

?區域是單元(流體或固體)和單元邊界(流場邊界或內部面)的集合；

?內部面可以從單元邊界自動產生，比如固體域和流體域連接處的wall會自動生成wall_shadow；

▉ 邊界條件設定基本原則

?設定在進出口時可以有利于收斂；

?在垂直于邊界上不應該存在很大的參數梯度；

?減小邊界附近的網格扭曲度，否則會導致計算早起誤差過大；

****▉ 進出口邊界條件

進出口邊界條件包括：壓力進口(pressure-inlet)、速度進口(velocity-inlet)、質量進口(mass-flow-inlet)、進風口(inlet-vent)、進氣扇(intake-fan)、壓力出口(pressure-outlet)、壓力遠場(pressure-far-field)、出風口(outlet-vent)、排氣扇(exhaust-fan)，自由出口(outflow)

◆ 壓力進口(pressure-inlet)

用來定義流動入口邊界的總壓和其它標量，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。對于壓力入口邊界條件你需要輸入如下信息：

l 總壓:Total (stagnation) pressure；

l 總溫:Total (stagnation) temperature；

l 流動方向:Flow direction；

l 靜壓:Static pressure；

l 湍流參數(用于湍流計算):Turbulence parameters (for turbulent calculations)

l 輻射參數(考慮輻射):Radiation parameters (for calculations using the P-1 model, the DTRM, the DOmodel, or the surface-to-surface model)；

l 化學組分質量分數(考慮化學組分):Chemical species mass fractions (for species calculations)；

l 混合分數及其方差(用PDF燃燒模型):；Mixture fraction and variance (for non-premixed or partially premixed combustion calculations)；

◆ 速度進口(velocity-inlet)

用于定義流動入口邊界的速度和計算需要的所有標量。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，方向或各速度分量:Velocity magnitude and direction or velocity components；

l 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(考慮湍流計算):Turbulence parameters (for turbulent calculations)；

◆ 質量進口(mass-flow-inlet）)

用于給定入口邊界上的質量流量。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，可以使用速度入口條件。

質量進口條件包括兩種：質量流率和質量通量。

質量流率是單位時間內通過進口總面積的質量。

質量通量是單位時間單位面積內通過進口的質量。

給定進口邊界上的質量流量，此時局部進口總壓是變化的，用以調節速度，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量邊界條件都適合流動時，優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，可以選擇用速度進口邊界條件。

◆ 壓力出口(pressure-outlet)

給定出口的靜壓(表壓)，在回流中還包括其它的標量。當出現回流時，使用壓力出口邊界條件來代替質量出口條件常常有更好的收斂速度。

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(湍流計算)，回流組分質量分數(有限速率模型模擬組分輸運)，混合物質量分數及其方差(PDF計算燃燒)。如果有回流出現，給的表壓將視為總壓，所以不必給出回流壓力。回流流動方向與出口邊界垂直。

該邊界條件只能用于模擬亞音速流動，如果當地速度已經超過音速，則該壓力在計算過程中就不采用了。

◆ 壓力遠場(pressure-far-field)

用于模擬無窮遠處的自由可壓縮流動，該流動的自由流馬赫數以及靜態條件已知。

該邊界條件只適合用理想氣體定律計算密度的可壓縮流問題，而不能用于其它問題。需要給定邊界靜壓和溫度及馬赫數?？梢允莵喴羲?，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參數；

◆ 自由出口(outflow)

如果我們在解決流動問題之前，不能知道出口流速和壓力的詳細情況，在流動出口是完全發展時，這時候可以選擇該邊界條件，因為Outflow邊界條件假定除了壓力之外的所有流動變量正法向梯度為零。

這類邊界條件的特點是不需要給定出口條件（除非是計算分離質量流，輻射換熱或者包括顆粒稀疏相問題）；

□ 存在下列情況，就不能用該邊界條件：

?包含壓力進口(pressure-inlet)條件

?可壓縮流動問題

?有密度變化的非穩定流動問題（即使是不可壓縮流動）

?對于最終結果存在回流的物理問題，使用該邊界條件很難收斂；

◆ 進風口(inlet-vent)

用于模擬具有指定的損失系數、流動方向以及周圍(入口)環境總壓和總溫的進風口。

對于進風口模型，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。假定р是流體密度，KL是無量綱損失系數，則壓降為：

其中：

_是與通風方向垂直的速度分量；

_是流動方向上的壓降;

◆ 進氣扇(intake-fan)

用于模擬外部進氣扇，它具有指定的壓降、流動方向以及周圍（進口）總壓和總溫。

假定進口風扇無限薄，并且有不連續的壓力升高，壓力升高量是通過風扇速度的函數。如果是反向流動，風扇可以看成是通風出口，并且損失系數為1。

壓力階躍可以是常數，或者是流動方向垂直方向上速度分量的函數形式。

◆ 出風口(outlet-vent)

用于模擬出口通風情況，并給定一個損失系數和環境（出口）壓力和溫度。

◆ 排氣扇(exhaust-fan)

用于模擬外部排氣扇，給定一個壓升和環境壓力。

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。

**▉ **壁面邊界條件

壁面條件包括：壁面(wall)、對稱(symmetry)、周期(periodic)、軸(axis)；

◆ 壁面(wall)

壁面邊界條件用于限制流體和固體區域。

在粘性流動中，壁面處默認為無滑移，但是你也可以根據壁面邊界區域的平動或者轉動來指定切向速度分量，或者通過指定剪切來模擬滑移壁面。在當地流場的詳細資料基礎上可以計算出流體和壁面之間的剪應力和熱傳導。

◆ 對稱邊界條件(symmetry)、軸(axis)

應用于計算的物理區域，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，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。

◆ 周期(periodic)

計算域為周期性運動區域；

可以減小計算量；

□ 周期性邊界分為周期性旋轉和周期性平動兩種_

▊周期性旋轉周期面上的；

▊周期性平動在周期面上允許有限的，模擬充分發展流；

****▉ ****內部單元邊界

內部單元邊界包括：流體(Fluid)、固體(Solid)；

**▉ **內部表面邊界

內部表面邊界包括：風扇(fan)、散熱器(radiator)、多孔跳躍(porous-jump)、壁面(wall)、內部界面(interface/interior)、重疊邊界(overset)；

◆ 風扇(fan)

風扇邊界為內部雙面集總邊界(即邊界兩側為同一計算域)，需要定義風扇性能參數；

◆ 多孔跳躍(porous-jump)

多孔階躍邊界，通常需要設置多孔介質的厚度和壓力階躍系數；

◆ 散熱器(radiator)

需要定義熱損失系數和傳熱效率；

□ Interface、interior、internal

?Interface：主要用于處理多區域計算模型中不同區域界面間的數據傳遞；CFD計算中interface通常是成對出現的，計算結果數據則通過interface進行插值傳遞；使用interface并不要求邊界上的點一一對應；之前分享的案例中就有用到interface的，有需要可自行查閱；是邊界類型的一種，是計算域的邊界，屬于單面邊界；

?Interior：值內部面，通常出現在單計算域內，屬于雙面邊界；CFD計算中流體可以自由通過該邊界，可以理解為不存在，多用于CFD后處理中；

?Internal：與Interior同屬于內部邊界，不同之處在于，當清除網格時，所有的Interior區域會被刪除，但是Internal區域會被保留；在最終網格傳遞至求解器后，所有的Internal區域會自動轉化為Interior類型；

【注意】

□ 有時也將邊界條件分為外部邊界、內部邊界、域_

?外部邊界:也稱單面邊界，位于模型的幾何邊界位置，僅一側存在體單元；

?內部邊界:也稱雙面邊界，由內部面轉化而來，即邊界兩側均存在體單元；

?域:包括Fluid、Solid、Porous media；

?interface通常是成對出現的，一側存在體單元與其連接，另一側也有體單元，但是與其節點并不統一(不連接)，所以interface屬于單面邊界；