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CFD-
边界条件
定义边界条件概述
边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值。它是
FLUENT
分析得很关键的一
部分，设定边界条件必须小心谨慎。
边界条件的分类：进出口边界条件：压力、速度、质量进口、进风口、进气扇、
压力出口、压力远场边界条件、质量出口、通风口、排气扇；壁面、
repeating,
and pole boundaries:
< br>壁面，对称，周期，轴；内部单元区域：流体、固体
(
多
孔是一种流动区域类型
)
；内部表面
边界：风扇、散热器、多孔跳跃、壁面、内
部。
(
内部表面边界条件定义在单元表面，这意味着它们没有有限厚度，并提供
了流
场性质的每一步的变化。
这些边界条件用来补充描述排气扇、
细
孔薄膜以及
散热器的物理模型。内部表面区域的内部类型不需要你输入任何东西。
)
下面一节将详细介绍上面所叙述边界条件，
并详细介绍了它们的设定方法以及设
定的具体合适条件。
周
期性边界条件在本章中介绍，
模拟完全发展的周期性流动
将在周
期性流动和热传导一章中介绍。
使用边界条件面板
边界条件
(Figure 1)
对于特
定边界允许你改变边界条件区域类型，并且打开其
他的面板以设定每一区域的边界条件参
数
菜单：
Define/Boundary
Conditions...
Figure 1:
边界条件面板
改变边界区域类型
设定任何边界条件
之前，必须检查所有边界区域的区域类型，如有必要就作适
当的修改。比方说：
如果你的网格是压力入口，
但是你想要使用速度入口，
< br>你就
要把压力入口改为速度入口之后再设定。
改变类型的步骤如下：
:
1.
在区域下拉列表中选定所要修改的区域
2.
在类型列表中选择正确的区域类型
3.
当问题提示菜单出现时，点击确认
确认改变之后，
区域类型将会改变
，
名字也将自动改变
(
如果初始名字
时缺省的
请参阅边界条件区域名字一节
),
设定区域边界条件的面板也将自动打开。
！
注意：
这个方法不能用于改变周期性类型，
因为该边
界类型已经存在了附加限
制。
创建边界条件一节解释了如何创建
和分开周期性区域。
需要注意的是，
只能
在图一中每一个类别中改变边界类型
(
注意：双边区域表面是
分离的不同单元区
域
.)
Figure 1:
区域类型的分类列表
设定边界条件
在
FLUENT
中，边界条件和区域有关而与个别表面或者单元无关。如果要结合具<
/p>
有相同边界条件的两个或更多区域请参阅合并区域一节。
设定每一特定区域的边界条件，请遵循下面的步骤：
1.
在边界条件区域的下拉列表中选择区域。
2.
点击
Set...
按钮。或者，
1.
在区域下拉列表中选择区域。
2.
在类型列表中点击所要选择的类型。或者在区
域列表中双击所需区域
.
，选择
边界条
件区域将会打开，并且你可以指定适当的边界条件
在图像显示方面选择边界区域
在边界
条件中不论你合适需要选择区域，
你都能用鼠标在图形窗口选择适当的区
域。
如果你是第一次设定问题这一功能尤其有用，
如果
你有两个或者更多的具有
相同类型的区域而且你想要确定区域的标号
（也就是画出哪一区域是哪个）
这一
功能也很有用。要使用
该功能请按下述步骤做：
1.
用网格
显示面板显示网格。
2.
用鼠标指针
（
默认是鼠标右键
--
参阅控制鼠标键
函
数以改变鼠标键的功能）
在图形窗口中点击边界区域。
在图形显
示中选择的区
域将会自动被选入在边界条件面板中的区域列表中，
它的名字和编号也会自动在
控制窗口中显示
改变边界条件名字
每一边界的名字是它的类型加标号数（比如
pressure-
inlet-7
）。在某些情况
下你可能想要对边界区域分配更
多的描述名。
如果你有两个压力入口区域，
比方
说，你可能想重名名它们为
small-
inlet
和
large-inlet
。
(
改变边界的名字不
会改变相应的类
型
)
重名名区域，遵循如下步骤：
1.
在边界条件的区域下拉列表选择所要重名名的区域。
2.
点击
Set...<
/p>
打开所选区域的面板。
3.
在区域名字中
输入新的名字
4.
点
击
OK
按钮。
注意：如果你指
定区域的新名字然后改变它的类型，你所改的名字将会被保留，
如果区域名字是类型加标
号，名字将会自动改变。
边界条件的非一致输入每一类型的边
界区域的大多数条件定义为轮廓函数而不
是常值。你可以使用外部产生的边界轮廓文件的
轮廓，或者用自定义函数
(UDF)
来创建。具体情况清参阅相
关内容
流动入口和出口
FLUENT
有很多的边界条件允许流动进入或者流出解域。下面一节描述
了每一种
边界条件的类型的使用以及所需要的信息，这样就帮助你适当的选择边界条件。
下面还提供了湍流参数的入口值的确定方法。
使用流动边界条件
下面对流动边界条件的使用作一概述
对于流动的出入口，
FLUENT
提供
了十种边界单元类型：速度入口、压
力入口、质量入口、压力出口、压力远场、质量出口
，进风口，进气扇，出风口
以及排气扇。
< br>下面是
FLUENT
中的进出口边界条件选项：
l
速度入口边界条件用于定义流动入口边界的速度和标量
l
压力入口边界条件用来定义流动入口边界的总压和其它标量。
l
质量流动入口边界条件用于可压流规定入口的质量流速。
在不可压流中不必
指定入口的质量流，
因为当密度是常数时，<
/p>
速度入口边界条件就确定了质量流条
件。
l
压力出口边界条件用于定义流动出口的静压
（在回流中还包括其它的标量）
。
当出现回流时，<
/p>
使用压力出口边界条件来代替质量出口条件常常有更好的收敛速
度
。
l
压力远场条件用于模拟无穷远
处的自由可压流动，
该流动的自由流马赫数以及
静态条件已经指
定了。这一边界类型只用于可压流。
l
< br>质量出口边界条件用于在解决流动问题之前，所模拟的流动出口的流速和压
力的详
细情况还未知的情况。在流动出口是完全发展的时候这一条件是适合的，
这是因为质量出
口边界条件假定出了压力之外的所有流动变量正法向梯度为零。
对于可压流计算，这一条
件是不适合的。
l
进风口边界条
件用于模拟具有指定的损失系数，流动方向以及周围（入口）
环境总压和总温的进风口。
l
进气扇边界条件用于模拟外部
进气扇，它具有指定的压力跳跃，流动方向以
及周围（进口）总压和总温。
l
通风口边界条件用于模拟通风口，它具有指
定的损失系数以及周围环境（排
放处）的静压和静温。
l
排气扇边界条件用于模拟外部排气扇，它具有指定的压力
跳跃以及周围环境
（排放处）的静压。
决定湍流参数
在入口、出口或远场边
界流入流域的流动，
FLUENT
需要指定输运标量的值。本<
/p>
节描述了对于特定模型需要哪些量，
并且该如何指定它们。
也为确定流入边界值
最为合适的方法提供了指导方针。
使用轮廓指定湍流参量
在
入口处要准确的描述边界层和完全发展的湍流流动，
你应该通过实验数据和经
验公式创建边界轮廓文件来完美的设定湍流量。
如果你有轮廓的分析描述而
不是
数据点，
你也可以用这个分析描述来创建边界轮廓文件，<
/p>
或者创建用户自定义函
数来提供入口边界的信息。一旦你创建了轮
廓函数，你就可以使用如下的方法：
l
Spalart-Allmaras
模型：在湍流指定方法下拉菜单中指定湍流粘性比，
并
在在湍流粘性比之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。
通过将
m_t/m
和密度与分
子粘性的适当结
合，
FLUENT
为修改后的湍流粘性计算边界值。
l k-e
模型：在湍流指定方法下拉菜单中选择
K
和
Epsilon
并在湍动能
（
Turb.
Kinetic
Energy
）和湍
流扩散速度（
Turb.
Dissipation
Rate
）之后的下拉菜单
中选择适当的轮廓名
。
l
雷诺应力模型：在湍流指
定方法下拉菜单中选择
K
和
Epsil
on
并在湍动能
（
Turb.
Kinetic Energy
）和湍流扩散速度（
Turb.
Dissipation Rate
）之后的
下拉菜单中选择适
当的轮廓名。在湍流指定方法下拉菜单中选择雷诺应力部分，
并在每一个单独的雷诺应力
部分之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。
湍流量的统一说明
在某些情况下流动
流入开始时，将边界处的所有湍流量指定为统一值是适当的。
比如说，在进入管道的流体
，远场边界，甚至完全发展的管流中，湍流量的精确
轮廓是未知的。
在大多数湍流流动中，
湍流的更高层次产生于边界层而不
是流动边界进入流域的
地方，
因此这就导致了计算结果对流入边
界值相对来说不敏感。
然而必须注意的
是要保证边界值不是非物
理边界。非物理边界会导致你的解不准确或者不收敛。
对于外部流来说这一特点尤其突出
，
如果自由流的有效粘性系数具有非物理性的
大值，边界层就会
找不到了。
你可以在使用轮廓指定湍流量一节中描述的湍流指
定方法，
来输入同一数值取代
轮廓。你也可以选择用更为方便的
量来指定湍流量，如湍流强度，湍流粘性比，
水力直径以及湍流特征尺度，下面将会对这
些内容作一详细叙述。
湍流强度
I<
/p>
定义为相对于平均速度
u_avg
的脉动
速度
u^'
的均方根。
小于或等于
1%
的湍流强度通常被认为低强度湍流，
大于
10%
被认为是高强度湍
流。从外
界，测量数据的入口边界，你可以很好的估计湍流强度。例如：如果你
模拟风洞试验，<
/p>
自由流的湍流强度通常可以从风洞指标中得到。
在现代低湍流风<
/p>
洞中自由流湍流强度通常低到
0.05%
。
.
对于内部流动，
入口的湍流强
度完全依赖于上游流动的历史，
如果上游流动没有
完全发展或者
没有被扰动，
你就可以使用低湍流强度。
如果流动完全发展，<
/p>
湍流
强度可能就达到了百分之几。
完全发
展的管流的核心的湍流强度可以用下面的经
验公式计算：
例如，在雷诺数为
50000
是湍流强度为
4%
湍流尺度
l
是和携带湍流能量的大涡的尺度有关的物理量。在完全发展的管流
中，
l
被管道的尺寸所限制，因为大涡不能大于
管道的尺寸。
L
和管的物理尺寸
之间的
计算关系如下：
其中
L
为管道的相关尺寸。因子
0.07
是基于完全发展湍流流动混合长度的最大
值的，对于非圆形截面的管道，你
可以用水力学直径取代
L
。
如果湍流的产生是由于管道中的障碍物等特征，
你最好用该特征长度作为
湍流长
度
L
而不是用管道尺寸。
注意：公式
并
不是适用于所有的情况。它只是在大多数情况下得很好的近似。
对于特定流动，选择
L
和
l
的原则如下
：
l
对于完全发展的内部流动，
选择强度和水力学直径指定方法，并在水力学直
径流场中指定
L
=D_H
。
l
< br>对于旋转叶片的下游流动，穿孔圆盘等，选择强度和水力学直径指定方法，
并在水
力学直径流场中指定流动的特征长度为
L
l
对于壁面限制的流动，
入口流动包含了湍流边界层。
选择湍流强度和长度尺
度方法并使用边界层厚度
d_99<
/p>
来计算湍流长度尺度
l
，在湍流长度尺度
流场中
输入
l=0.4
d_99
这个值
湍流粘性比
m_t/m
直接与湍流雷诺数成比例
(Re_t
?k^2/(e n))
。
Re_t
在
高湍流
数的边界层，
剪切层和完全发展的管流中是较大的
(100
到
1000)
。
然而，
在大多
数外流的自由流边界
层中
m_t/m
相当的小。湍流参数的典型设定为
1 < m_t/m
<10
。
要
根据湍流粘性比来指定量，你可以选择湍流粘性比（对于
Spalart-Allmar
as
模型）或者强度和粘性比（对于
k-e
模型或者
RSM
）。
推导湍流量的关系式
要获得更方便的湍流量的输运值，如：
I, L,
或者
m_t/m
，你必须求助于经验公
式，下面是
FLUENT
中常用的几个有用的关系式
。要获得修改的湍流粘性，它和
湍流强度
I
长度尺度
l
有如下关系：
在
Spalart-Allmar
as
模型中，如果你要选择湍流强度和水力学直径来计算
l
可
以从前面的公式中获得。
湍动能
k
和湍流强度
I
之间的关系为：
< br>其中
u_avg
为平均流动速度
除了为
k
和
e
指定具体的值之外，
无论你是使用湍流强度和水力学直径，
强度和
长度尺度或者强度粘性比方法，你都要使用上述公式。
如果你知道湍流长度尺度
l
你可以使用下面的关系式：
其中
是湍流模型中指定的经验常数（
近似为
0.09
），
l
的公式在前面已经讨论
了。
除了为
k
和
e
制定具体的值之外，
无论你是使用湍流强度和水力学直径还是强度
和长度尺度，你都要使用上述公式。
E
的值也可以用下式计算，它与湍流粘性比
m_t/m
以及<
/p>
k
有关：
其中
是湍流模型中指定的经验常数（
近似为
0.09
）。
除了为
k
和
e
制定具体的值之外，
无论你是使用湍流强度和水力学直径还是强度
和长度尺度，你都要使用上述公式。
如果你是在
模拟风洞条件，在风洞中模型被安装在网格和
/
或金属网格屏下
游的
测试段，你可以用下面的公式：
其中，
是你希望的在穿过流场之后<
/p>
k
的衰减
(
比方
说
k
入口值的
10%),
自由流
的速度
是流域内自由流的流向长度
Equation
9
是在高雷诺数各向同性湍流中观
察到的幂率衰减的线
性近似。它是基于衰减湍流中
k
的精确方程
U
?k/?x
=
-
e.
如果你用这种方法估计
e
，你也要用方程
7
检查结果的湍流粘性比<
/p>
m_t/m
，以保
证它不是太大。
虽然这不是
FLUENT
< br>内部使用的方法，
但是你可以用它来推导
e
的常数自由流值，
然后你可以用湍流指定方法下拉菜单中选择
K
和
Epsilon
直接指定
。
在这种情况
下，你需要使用方程
3<
/p>
从
I
来计算
k<
/p>
。
当使用
RS
M
时，如果你不在雷诺应力指定方法的下拉列表中使用雷诺应力选项，
< br>明显的制定入口处的雷诺应力值，
它们就会近似的由
k<
/p>
的指定值来决定。
湍流假
定为各向同性，
保证
以及
(
下标
a
不求和
).
如果你在雷诺应力指定方法下拉列表中选择
K
或者湍流强度，
FLUENT
就会使用
这种方法。
对大涡模拟（
LES
）指定入口湍流
大涡模拟
模型一节中所描述的
LES
速度入口中指定的的湍流强度值，<
/p>
被用于随机
扰动入口处速度场的瞬时速度。
它并不指定被模拟的湍流量。
正如大涡模拟模型
中介绍的边界
条件中所描述的，
通过叠加每个速度分量的随机扰动来计算流动入
口边界处的随机成分
.
压力入口边界条件
压力入口边界条件
用于定义流动入口的压力以及其它标量属性。
它即可以适用于
可
压流，
也可以用于不可压流。
压力入口边界条件可用于压力已知
但是流动速度
和
/
或速率未知的情况。
这一情况可用于很多实际问题，比如浮力驱动的流动。
压力入口边界条件也可用来定义外
部或无约束流的自由边界。
对于流动边界条件
的概述，请参阅流
动入口和出口一节。
压力入口边界条件的输入
综述
对于压力入口边界条件你需要输入如下信息
l
驻点总压
l
驻点总温
l
流动方向
l
静压
l
湍流参数（对于湍流计算）
l
辐射参数
(
对于使用
< br>P-1
模型、
DTRM
模型或者
DO
模型的计算
)
l
化学组分质量百分比
(
对于组分计算
)
l
混合分数和变化
(
对于
PDF
燃烧计算
)
l
程序变量
(
对于预混和燃烧计算
)
l
离散相边界条件
(
对于离散相的计算
)
l
次要相的体积分数
(
对于多相计算
)
所有的值都在压力入口面板中输入
(Figure
1)
，该面板是从边界条件打开的。
Figure 1:
压力入口面板
压力输入和静压头
压力场
(p_s^')
和压力输入
(p_s^'
or
p_0^')
包括静压头
r_0
g
x
。也就是
FLUENT
以下式定义的压力：
或者
这一定义允许静压头放进体积力项
(r - r_0)g
中考虑，而且当密度一致时，从
压力计算中排除了。因此你的压力输入
不因该考虑静压的微分，压力
(p^'_s)
的
报告也不会显示静压的任何影响。
有关浮力驱动流动的内容请参阅浮力驱动流动
和自然对流的信息
定义总压和总温
在压力入口面板中的
Gauge
Total
Pressure
fi
eld
输入总压值。总温会在
Total
Temperature
field
中设定。记住，总压值是在操作条件面板中定义的与操作压
力有关的的总压值。不可压流
体的总压定义为：
对于可压流体为：
其中：
p_0
=
总压
p_s =
静压
M =
马赫数
c =
比热比
(c_p/c_v)
如果模拟
轴对称涡流，方程
1
中的
v
包括了旋转分量。如果相邻区域是移动的
（即：如果使用旋转参考坐标系，
多重参考坐标系，混合平面或者滑移网格），
而且你是使用分离解算器。
那么方程
1
中的速度
（或者方
程
3
中的马赫数）
将是
绝对的，或者相对与网格速度。这依赖于解算器面板中绝对速度公式是否激活。
对于耦合解算器，
方程
1
中的速度
（或者方程
3
中的马赫数）
通常是在绝对坐标
系下的速度。
定义流动方向
你可以在压力入口明确
的定义流动的方向，
或者定义流动垂直于边界。
如果你选
择指定方向矢量，你既可以设定笛卡尔坐标
x, y,
和
z
的分量，也可以设
(
圆柱
坐标的
)
半径
，切线和轴向分量。对于使用分离解算器计算移动区域问题，流动
方向将是绝对速度或者
相对于网格相对速度，
这取决于解算器面板中的绝对速度
公式是
否被激活。对于耦合解算器，流动方向通常是绝对坐标系中的。
定义流动方向的步骤如下，总结请参考
Figure
1
。
1.
在
方向指定下拉菜单中选择指定流动方向的方法，
或者是方向矢量或者是垂直
于边界。
2.
如果你在
第一步中选择垂直于边界，并且是在模拟轴对称涡流，请输入流动
适当的切向速度，如果
不是模拟涡流就不需要其它的附加输入了。
3.
如果第一步中你选择指定方向矢量，并且你的几何外形是
3
维的，你就需要
选择定义矢量分量的坐标系统。在坐标系下拉菜单中选择笛卡尔
(X,
Y,
Z)
< br>坐标，
柱坐标（半径，切线和轴），或者局部柱坐标。
l
笛卡尔坐标系是基于几何图形所使用的笛卡尔坐标系。
l
柱坐标在下面的坐标系统的基础上使用轴、角度和切线三
个分量。
l
对于包含一个单独的
单元区域时，坐标系由旋转轴和在流体面板中原来的指
定来定义。
l
对于包含多重区域的问题（比如多重参考坐标或滑
动网格），坐标系由流体
（固体）面板中为临近入口的流体（固体）区域的旋转轴来定义
。
对于上述所有柱坐标的定义，
正径
向速度指向旋转轴的外向。
正轴向速度和旋转
轴矢量的方向相同
，正切向方向用右手定则来判断。参阅下图一目了然。
Figure 1:
在二维、三维和轴对称区域的柱坐标速度分量
当地柱坐标系统允许你对特定的入口定义坐标系，
在压力入口面板中你就可以定
义该坐标系统。
如果你对于不同的旋转轴有几个入口，
那么当地坐标系会很有用
的。
4.
如果你在第一步中指定方向矢量，用如下的方法定义矢量分量：
l
如果是二维非对称图形或者你在第三步中选择矢量分量，
请输入适当的
X,
Y,
和
(in 3D)
Z
分量。
l
如果是二维轴对称图形或者第三部分选择了柱坐标，请输入适当的半径，角
度以及切
线方向的分量。
l
如果使用当地
柱坐标系，请输入适当的半径，角度以及切线方向的分量，并
指定轴向的
X, Y,
和
Z
向分量，以及
坐标起点的坐标。
图一就是各个坐标系统的矢量分量。
定义静压
如果入口流动是超声速的，
或者你打算用压力入口边界条件来对解进行初始
化，那么你必须指定静压
(termed the Supersonic/Initial Gauge
Pressure)
。
需要记住的是
这个静压和你在操作条件面板中的操作压力是相关的。请参阅有
关于压力输入和静压头相
关输入的解释。
只要流动是亚声速的，
FLUENT
会忽略
Supersonic/Initial
Gauge
Pressure
，它<
/p>
是由指定的驻点值来计算的。如果你打算使用压力入口边界条件来初始化解
域，
Supersonic/Initial Gauge Pressure
是与计算初始值的指定驻点压力相联
系的，计算初始值的方法有
各向同性关系式
（对于可压流）
或者贝努力方程
（对
于不可压流）
。因此，对于压声速入口，它是在关
于入口马赫数
（可压流）
或者
入口速度
（不可压流）合理的估计之上设定的。
定义湍流参数
对于湍流计算，
有几种方法来定义湍流参数。
至于哪种方法合适请参阅决定湍流
参数一节。湍流模型是在
湍流模型
一章中介绍
定义辐射参数
如果你打算使用
P-1
辐射模型、
DTRM
< br>或者
DO
模型，你就需要设定内部发散率以
及（可选）黑体温度。详情请参阅设定边界条件一节
(Rosseland<
/p>
不需要任何边
界条件的输入
)
。
定义组分质量百分比
如果你是用有限速度模型来模拟组分输运，
你就需要设定组分质
量百分比。
详情
请参阅组分边界条件的定义。
< br>
定义
PDF/
混合分数参数<
/p>
如果你用
PDF
模型模拟燃烧，
你就需要设定平均混合分数以及混合分数变化
（如
果你是用两个混合分数就还包括二级平均混合分数和二级混合分数变化）
。
具体
情况如第三步定义边界条件所述。
定义预混和燃烧边界条件
< br>如果使用与混合燃烧模型，
你就需要设定发展变量。
请见
发展变量的边界条件设
定。
定义离散相边界条件
如果你是在模拟
粒子的离散相，
你就可以在压力入口设定粒子轨道详情请参阅离
散向模型的边界设定。
定义多相边界条件
对于多相流如果使
用
VOF
，
cavitation
或者代数滑移混合模型，
你就需要指定所
有
二级相的体积分数。详情请参阅
VOF
模型、
< br>cavitation
模型或者代数滑移混
合模型的边界
设定。
压力入口边界条件的默认设定
压力入口边界条件的默认设定如下（国际标准单位）：
Gauge Total Pressure 0
Supersonic/Initial Gauge Pressure
0
Total Temperature 300
X-Component of Flow Direction 1
Y-Component of Flow Direction 0
Z-Component of Flow Direction 0
Turb. Kinetic Energy 1
Turb. Dissipation Rate 1
压力入口边界处的计算程序
FLUE
NT
压力入口边界条件的处理可以描述为从驻点条件到入口条件的非自由化
的过渡。
对于不可压流是通过入口边界贝努力方程的应用来完成的。
对于可压流，
使用的是理想气体的各向同性流动关系式。
压力入口边界处的不可压流动计算
流动进入压力入口边界时，
FLUENT
使用边界条件
压力，该压力是作为入口平面
p_0
的总压输入的。
在不可压流动中，
入口总压，
静压和速度之间有如
下关系：
。
通过你在出口分配的速度
大小和流动方向可以计算出速度的各个分量。
入口质量
流速以及
动量、
能量和组分的流量可以作为计算程序在速度入口边界的大纲用来
< br>计算流动
对于不可压流，入口平面的速度既可以是常数
也可以是温度或者质量分数的函
数。
其中质量分数是你输入作为
入口条件的值。
在通过压力出口流出的流动，
用
指定的总压作为静压来使用。对于不可压流动来说，总温和静温相等。
压力入口边界的可压流动计算
对于可
压流，
应用理想气体的各向同性关系可以在压力入口将总压，
静
压和速度
联系起来。在入口处输入总压，在临近流体单元中输入静压，有关系式如下：<
/p>
其中马赫数定义为：
马赫数的定义就不详述了。需要注意的是上面的方程中出现了操作压力
p_
op
这
是因为边界条件的输入是和操作压力有关的压力。给定<
/p>
p_0^'
和
p_s^'
上面的方
程就可以用于计算入口平面流体的速度范围。
入口处的各个速度分量用方向矢量
来计算。对于可压流，入口平面的密度由理想气体定律
来计算：
。
R
由压力入口边界条件定义的组分质量百分比来计算。
入口静
温和总温的关系由
下式计算：
。
速度入口边界条件
速度入口边界条件
用于定义流动速度以及流动入口的流动属性相关标量。
在这个
边
界条件中，流动总的（驻点）的属性不是固定的，所以无论什么时候提供流动
速度描述，
它们都会增加。
这一边界条件适用于不可压流，
如果用于可压流它会导致非物理结果，
这是因为
它
允许驻点条件浮动。
你也应该小心不要让速度入口靠近固体妨碍物，
因为这会
导致流动入口驻点属性具有太高的非一致性。
<
/p>
对于特定的例子，
FLUENT
可能会使
用速度入口在流动出口处定义流动速度（在
这种情况下不使用标量输入）。在这种情况下
，必须保证区域内的所有流动性。
对于流动的概述请参阅流动入口和出口。
速度入口边界条件的输入
概述
速度入口边界条件需要输入下列信息
l
速度大小与方向或者速度分量。
l
旋转速度（对于具有二维轴对称问题的涡流）。
l
温度（用于能量计算）。
l
Outflow
gauge
pressure
(for
calculations
with
the
coupled
solvers)
l
湍流参数（对于湍流计算）
l
辐射参数
(
对于
P-1
模型、
DTRM
或者
DO
模型的计算
)
l
化学组分质量百分数（对于组分计算）。
l
混合分数和变化（对于
PDE
燃烧计算）。
l
发展变量（对于预混和燃烧计算）。
l
离散相边界条件（对于离散相计算）
l
二级相的体积分数
(
对于多相流计算
)
上面的所有值都
有速度面板输入，它是从边界条件打开的（见设定边界条件一
节）。
Figure 1:
速度入口面板
定义速度
你可以通过定义来确定入口
速度。
如果临近速度入口的单元区域是移动的
（也就
是说你使用旋转参考坐标系，
多重坐标系或者滑动网格）
< br>，
你也可以指定相对速
度和绝对速度。对于
FLUENT
中的涡流轴对称问题，你还要指定涡流速度。
< br>
定义流入速度的程序如下：
1.
选择指定流动方向的方法：
在速
度指定方法下拉菜单中选择速度大小和方向、
速度分量或者垂直于边界的速度大小。
2.
如果临近速度入口的单元区域是移
动的，你可以指定相对或绝对速度。相对
于临近单元区域或者参考坐标系下拉列表的绝对
速度。
如果临近单元区域是固定
的，相对速度和绝对速度是相等
的，这个时候不用察看下拉列表。
3.
如果你想要设定速度的大小和方向或者速度分量，而且你的几何图形是三维
的，
下一步你就要选择定义矢量和速度分量的坐标系。
坐标系就是前面所
述的三
种。
4.
设定适当的速度参数，下面将会介绍每一个指定方法。
如果第一步中选择的是速度的大小和方向，
你需要在流入边界条件中输
入速度矢
量的大小以及方向。
l
如果是二维非轴对称问题，或者你在第三步中选择笛卡尔坐标系，你需要定
义流动
X, Y,
和
(<
/p>
在三维问题中
)
Z
三个分量的大小。
l
如果是二维轴对称问题
,
，
或者第三步中使用柱坐标系，
请输入流动方向的径
向、轴向
和切向的三个分量值。
l
如果你
在第三步中选择当地柱坐标系，请输入流动方向的径向、轴向和切向
的三个分量值。并指
定轴向的
X, Y,
和
Z-
分量以及坐标轴起点的
X, Y,
和
Z-
坐标的值。
定义流动方向的
Figure
1
表明这些不同坐标系矢量分量。
如
果你在定义速度的第一步中选择速度大小以及垂直的边界，
你需要在流入边界
处输入速度矢量的大小。
如果你模拟二维轴对称涡流，
你也要输入流向的切向分
量。
如果你在定义速度的第一步中
选择速度分量，
你需要在流入边界中输入速度
矢量的分量。
l
如果是二维非轴对称问题，或者你
在第三步中选择笛卡尔坐标系，你需要定
义流动
X, Y, <
/p>
和
(
在三维问题中
) Z
三个分量的大小。
l <
/p>
如果是模拟涡流的二维轴对称问题，你需要在速度设定中设定轴向、径向和
旋转速度，。
l
如果是
第三步中使用柱坐标系，请输入流动方向的径向、轴向和切向的三个
分量值，以及（可选
）旋转角速度。
l
如果你在第
三步中选择当地柱坐标系，
请输入流动方向的径向、
轴向和切向
的三个分量值。并指定轴向的
X, Y,
和
Z-
分量以及坐标轴起点的
X,
Y,
和
Z-
坐标的值。
记住速度的正负分量和坐标方向的正负是相同的。
柱坐标系下的速度的正负也是
一样。
如果你在第一步中定义的是速度分量，
并在模拟轴对称涡流，
你
可以指定除了涡
流速度之外的入口涡流角速度
W
。相似地，如果你在第三步中使用柱坐标或者当
地柱坐标系，你可以指定除切向
速度之外的入口角速度
W
。
如果你指定
W,
v_q
作为每个单元的
W r
，其中<
/p>
r
从起点到单元的距离。如果你
指定涡流
速度和涡流角速度或者切向速度和角速度，
FLUENT
会将<
/p>
v_q
和
W r
加
起来获取每个单元的旋转速度或者切向速度。
定义温度
在解能量方程时，你需要在
温度场中的速度入口边界设定流动的静温。
定义流出标准压力
如果你是用一种耦
合解算器，
你可以为速度入口边界指定流出标准压力。
如果在<
/p>
流动要在任何表面边界处流出区域，
表面会被处理为压力出口，<
/p>
该压力出口为流
出标准压力场中规定的压力。
(
注意：这一影响和
RAMPANT
中得到的速度远场边
界相似。
定义湍流参数
对于湍流计算，
有几种定义湍流参数的方法。
至于选取哪种方法以及相关的输入
值请参阅确定湍流参数一节。湍流模型的相关内容请参阅湍流模型一章。
定义辐射参数
如果你打算使用<
/p>
P-1
辐射模型、
DTRM
或者
DO
模型，你就需要设定内部发散率以
及（可选）黑体温度。详情请参阅设定边界条件一节
(Rosselan
d
不需要任何边
界条件的输入
)
。
定义组分质量百分比
如果你是用有限
速度模型来模拟组分输运，
你就需要设定组分质量百分比。
详情
请参阅组分边界条件的定义。
定义<
/p>
PDF/
混合分数参数
如果你用
PDF
模型模拟燃烧，
你就需要设定平均混合分数以及混合分数变化
（如
果你是用两
个混合分数就还包括二级平均混合分数和二级混合分数变化）
。
具体
情况如第三步定义边界条件所述。
定义预混和燃烧边界条件
如果使用与
混合燃烧模型，
你就需要设定发展变量。
请见发展变量的边界条
件设
定。
定义离散相边界条件
如果你是在模拟
粒子的离散相，
你就可以在速度入口设定粒子轨道详情请参阅离
散向模型的边界设定。
定义多相边界条件
对于多相流如果使
用
VOF
，
cavitation
或者代数滑移混合模型，
你就需要指定所
有
二级相的体积分数。详情请参阅
VOF
模型、
< br>cavitation
模型或者代数滑移混
合模型的边界
设定。
速度入口边界条件的默认设定
速度入口边界条件的默认设定（国际单位）：
Temperature 300
Velocity Magnitude 0
X-Component of Flow Direction 1
Y-Component of Flow Direction 0
Z-Component of Flow Direction 0
X-Velocity 0
Y-Velocity 0
Z-Velocity 0
Turb.
Kinetic Energy 1
Turb. Dissipation
Rate 1
Outflow Gauge Pressure 0
速度入口边界的计算程序
FLUEN
T
使用速度入口的边界条件输入计算流入流场的质量流以及入口的动量、
能量和组分流量。本节介绍了通过速度入口边界条件流入流场的算例，以及通
过
速度入口边界条件流出流场的算例。
流动入口的速度入口条件处理
使用速
度入口边界条件定义流入物理区域的模型，
FLUENT
既使用
速度分量也使
用标量。这些标量定义为边界条件来计算入口质量流速，
< br>动量流量以及能量和化
学组分的流量。
邻近速度入口边界流体单元的质量流速由下式计算：
注意只有垂直于控制体表面的流动分量才对流入质量流速有
贡献。
流动出口的速度入口条件处理
有时速度入口边界条件用于流出物理区域的流动。
比如通过某一
流域出口的流速
已知，或者被强加在模型上，就需要用这一方法。
注意：这种方法在使用之前必须保证流域内的全部连续性。
<
/p>
在分离解算器中，当流动通过速度入口边界条件流出流场时，
FL
UENT
在边界条
件中使用速度垂直于出口区域的速度分量。<
/p>
它不使用任何你所输入的其它的边界
条件。除了垂直速度分量之外
的所有流动条件，都被假定为逆流的单元。
在耦合解算器中，
如果流动流出边界处的任何表面的区域，那一表面就会被看
成压力出口，这一压力为
Outflow Gauge Pressure
field
中所规定的压力。
密度计算
入口平面的密度既可以是常
数也可以是温度、压力和
/
或组分质量百分数（你在
入口条件中输入的）的函数。
质量入口边界条件
该边界条件用于规
定入口的质量流量。为了实现规定的质量流量中需要的速度，
就要调节当地入口总压。<
/p>
这和压力入口边界条件是不同的，
在压力入口边界条件
中，规定的是流入驻点的属性，质量流量的变化依赖于内部解。
当匹配规定的质量和能量流速而不是匹配流入的总压时，
通常就会使用质
量入口
边界条件。比如：一个小的冷却喷流流入主流场并和主流场混合，此时，主流的<
/p>
流速主要的由（不同的）压力入口
/
出口
边界条件对控制。
调节入口总压可能会导致节的收敛，
所以如果压力入口边界条件和质量入口条件
都可以接受，你应该选择压
力入口边界条件。
在不可压流中不必使用质量入口边界条件，
因为密度是常数，
速度入口边界条件
就
已经确定了质量流。关于流动边界条件的概述请参阅流动入口和出口一节。
质量入口边界条件的输入
概述
质量入口边界条件需要输入：
l
质量流速和质量流量
l
总温（驻点温度）
l
静压
l
流动方向
l
湍流参数（对于湍流计算）
l
辐射参数
(
对于
P-1
模型、
DTRM
或者
DO
模型的计算
)
l
化学组分质量百分数（对于组分计算）。
l
混合分数和变化（对于
PDE
燃烧计算）。
l
发展变量（对于预混和燃烧计算）。
l
离散相边界条件（对于离散相计算）
上面的所有值都由质量入口面板输入，
它是从边界条件打开的
（
见设定边界条件
一节）。
Figure 1:
质量流动入口面板
定义质量流速度和流量
你可以输入通
过质量入口的质量流速，然后
FLUENT
将这个值转换为质量
流量，
或者直接指定质量流量。
如果你设定规定的质量流速，<
/p>
它将在内部转换为区域上
的规定的统一质量流量，
这一区域由流速划分。
你也可以使用边界轮廓或者自定
义函数来定义质量流量（不是质量流速）。
质量流速或者流量的输入如下：
1.
选择质量流速的方法：质量流速或者质量流量
2.
如果是质量流速（默认），在质量流速框中输
入规定的质量流速。
注意：对于轴对称问题，这一质量流速是
通过完整区域
(2p-radian)
而不是
< br>1-radian
部分的流速。
如果选择质量流量。请在
Mass
Flux
框中输入质量流量。
注意：
对于轴对称问题，这一质量流量是通过完整区域
(2p-radian)
而不是
1-radian
部分的流量。
定义总温
在质量流入口面
板中的流入流体的总温框中输入总温（驻点温度）值。
定义静压
如果入口流动是超声速的，
或者你打算用压力入口边界条件来对解进行初始
化，那么你必须指定静压
(termed the Supersonic/Initial Gauge
Pressure)
。
只要流动是压
声速的，
FLUENT
会忽略
Supe
rsonic/Initial
Gauge
Pressur
e
，它
是由指定的驻点值来计算的。如果你打算使用压力入口边
界条件来初始化解
域，
Supersonic/Initial
Gauge Pressure
是与计算初始值的指定驻点压力相联
系的，计算初始值的方法有各向同性关系式
（对于可压流）
或者贝努力方程
（对
于不可压流）
。因
此，对于压声速入口，它是在关于入口马赫数
（可压流）
或者<
/p>
入口速度（不可压流）合理的估计之上设定的。
需要记住的是这个静压和你在操作条件面板中的操作压力是相关的。
请参阅有关
于压力输入和静压头相关输入的解释。
定义流动方向
你可以在压力入口明确
的定义流动的方向，
或者定义流动垂直于边界。
对于使用
分离解算器计算移动区域问题，流动方向将是绝对速度或者相对于网格相对速
< br>度，
这取决于解算器面板中的绝对速度公式是否被激活。
对于耦合解算器，
流动
方向通常是绝对坐标系中的。
定义流动方向的步骤如下，总结请参考概述中的
Figure
1
。
1.
在方向指定下拉菜单中选择指定流动方向的方法，或者是方向矢量或者是垂
直于边界。<
/p>
2.
如果你在第一步中选择垂直于边
界，并且是在模拟轴对称涡流，请输入流动
适当的切向速度，
如
果你选择垂直于边界并且你的流动是二维或者三维轴对称涡
流，那就不需要流动方向上的
其它的附加输入了。
3.
如果第一
步中你选择指定方向矢量，并且你的几何外形是
3
维的，你就需
要
选择定义矢量分量的坐标系统。在坐标系下拉菜单中选择笛卡尔
(X,
Y,
Z)
坐标，
柱坐标（半径，切线和轴），或者局部柱坐标。
l
如果是二维非轴对称问题或者三维问题，你需要定义流动
X,
Y,
和
(
在三维
问题中
) Z
三个分量的大小。
l
如果是二维轴对称问题
,
，
请输入流动方向的径向、
轴向和切向的三个分
量值。
定义湍流参数
对于湍流计算，
有几种定义湍流参数的方法。
至于选
取哪种方法以及相关的输入
值请参阅确定湍流参数一节。湍流模型的相关内容请参阅湍流
模型一章。
定义辐射参数
如果你打算使用
P-1
辐射模型、
DTRM
或者
DO
模型，你
就需要设定内部发散率以
及（可选）黑体温度。详情请参阅设定边界条件一节
(Rosseland
不需要任何边
界条件的输入
)
。
定义组分质量百分比
如果你是用有限
速度模型来模拟组分输运，
你就需要设定组分质量百分比。
详情
请参阅组分边界条件的定义。
定义<
/p>
PDF/
混合分数参数
如果你用
PDF
模型模拟燃烧，
你就需要设定平均混合分数以及混合分数变化
（如
果你是用两
个混合分数就还包括二级平均混合分数和二级混合分数变化）
。
具体
情况如第三步定义边界条件所述。
定义预混和燃烧边界条件
如果使用与
混合燃烧模型，
你就需要设定发展变量。
请见发展变量的边界条
件设
定。
定义离散相边界条件
如果你是在模拟
粒子的离散相，
你就可以在速度入口设定粒子轨道详情请参阅离
散向模型的边界设定。
质量流入口边界的默认设定
质量入口边界条件的默认设定（国际标准单位）为：
Mass Flow-Rate 1
Total
Temperature 300
Supersonic/Initial Gauge Pressure
0
X-Component of Flow Direction 1
Y-Component of Flow Direction 0
Z-Component of Flow Direction 0
Turb. Kinetic Energy 1
Turb. Dissipation Rate 1
质量流入口边界的计算程序
对入口区
域使用质量入口边界条件，
该区域的每一个表面的速度被计算出来，
并
且这一速度用于计算流入区域的相关解变量的流量。
对于
每一步迭代，
调节计算
速度以便于保证正确的质量流的数值。<
/p>
你需要使用质量流速、流动方向、静压以及总温来计算这个速度
。
有两种指定质量流速的方法。第一种方法是指定入口的总质
量流速
m(dot)
。第
二种方法是指
定质量流量
r v (
每个单位面积的质量流速
)
。如果指定总质量流
速，
F
LUENT
会在内部通过将总流量除以垂直于流向区域的总入口面积得到统一
质量流量：
如果使
用直接质量流量指定选项，
可以使用轮廓文件或者自定义函数来指定边界
处的各种质量流量。
一旦在给定表面的
r
v
值确定了，就必须确定表面的密度值
r
，以找到垂直
速度
v
。密度获取的方法依赖于所模拟的是不是理想气体。下面
检查了各种情况：
理想气体的质量流边界的流动计算
如果是理想气体，要用下式计算密度：
如果入口是超音速，
所使用的静压
是设为边界条件静压值。
如果是亚音速静压是
从入口表面单元内
部推导出来的。
入口的静温是从总焓推出的，总焓是从边界条
件所设的总温推出的。
入口的密度是从理想气体定律，使用静压和静温推导出来的。
不可压流动的质量流边界的流动计算
如果是模拟非理想气体或者液体，
静温和总温相同。
入口处的密
度很容易从温度
函数和
（可选）
组分质
量百分比计算出来的。
速度用质量入口边界的计算程序中
的方程
计算出。
质量流边界的流量计算
<
/p>
要计算所有变量在入口处的流量，
流速
v
和方程中变量的入口值一起使用。
例如，
质量流量为
r
v
，湍流动能的流量为
r k v
。这
些流量用于边界条件来计算解过
程的守恒方程。
进气口边界条件
进气口边界条件用于
模拟具有指定损失系数、
流动方向以及环境
（入口）
压力和
温度的进气口。
进气口边界的输入
进气口边界需要输入：
l
总压即驻点压力
l
总温即驻点温度。
l
流动方向
l
静压
l
湍流参数（对于湍流计算）
l
辐射参数
(
对于
P-1
模型、
DTRM
或者
DO
模型的计算
)
l
化学组分质量百分数（对于组分计算）。
l
混合分数和变化（对于
PDE
燃烧计算）。
l
发展变量（对于预混和燃烧计算）。
l
离散相边界条件（对于离散相计算）
l
二级相的体积分数
(
对于多相流计算
)
l
损失系数
上面的所有值都由进气口面
板输入，
它是从边界条件打开的
（见设定边界条件一
节）。
上面的前十一项的设定和压力入口边界的
设定一样。
下面介绍一下损失系数的设
定：
Figure 1:
进气口面板
指定损失系数
FLUENT
中的进气口模型，进气口假定为无限薄，通过进气口的压降假定和流体
的
动压成比例，并以经验公式确定你所应用的损失系数。也就是说压降
D
p
和通
过进气口速度的垂直分量的关系为：
其中
r
是流体密度，
k_L
为无量纲的损失系数。
注意：
D
p
是流向压降，因此即使是在回流中，进气口都会出现阻力。
你可以定义通过进气口的损失系数为常量、
多项式、
分段线性函数或者垂向速度
的分段多项式函数。
定
义这些函数的面板和定义温度相关属性的面板相同，
详情
请参阅
使用温度相关函数定义属性一节。
进气扇边界条件
进气扇边界条件用于
定义具有特定压力跳跃、
流动方向以及环境
（进气口）
压力
和温度的外部进气扇流动。
进气扇边界的输入
进气扇边界需要输入：
l
总压即驻点压力
l
总温即驻点温度。
l
流动方向
l
静压
l
湍流参数（对于湍流计算）
l
辐射参数
(
对于
P-1
模型、
DTRM
或者
DO
模型的计算
)
l
化学组分质量百分数（对于组分计算）。
l
混合分数和变化（对于
PDE
燃烧计算）。
l
发展变量（对于预混和燃烧计算）。
l
离散相边界条件（对于离散相计算）
l
二级相的体积分数
(
对于多相流计算
)
l
压力跳跃
上面的所有值都由进气扇面
板输入，
它是从边界条件打开的
（见设定边界条件一
节）。
上面的前十一项的设定和压力入口边界的
设定一样。
下面介绍一下压力跳跃的设
定：
Figure 1:
进气扇面板
指定压力跳跃
所有的进气扇都被假定
为无限薄，
通过它的非连续压升被指定为通过进气扇速度
的函数
。在倒流的算例中，进气扇被看成类似于具有统一的损失系数的出气口。
你可以定义通过进气扇的压力跳跃为常量、
多项式、
分段线性函数或者垂向速度
的分段多项式函数。
定义这些函数的
面板和定义温度相关属性的面板相同，
详情
请参阅使用温度相关
函数定义属性一节。
压力出口边界条件
压力出口边界条件
需要在出口边界处指定静（
gauge
）压。静压值的指定只用
于
压声速流动。
如果当地流动变为超声速，
就不再使用指定压力了，
此时压力要从
内部流动中推断。所
有其它的流动属性都从内部推出。
在解算过程中，
如果压力出口边界处的流动是反向的，
回流条件也需要指定。
如
果对于回流问题你指定了比较符合实际的值，收敛性困难就会被减到最小。
FLUENT
还提供了使用辐射平衡
出口边界条件，详情请参阅定义静压一节。
关于流动边界的概述请参阅流动入口和出口一节。
压力出口边界的输入
概述
压力出口边界条件需要输入：
l
静压
l
回流条件
l
总温即驻点温度（用于能量计算）。
l
湍流参数（对于湍流计算）
l
化学组分质量百分数（对于组分计算）。
l
混合分数和变化（对于
PDE
燃烧计算）。
l
发展变量（对于预混和燃烧计算）。
l
二级相的体积分数
(
对于多相流计算
)
l
辐射参数
(
对于
P-1
模型、
DTRM
或者
DO
模型的计算
)
l
离散相边界条件（对于离散相计算）
上面的所有值都由压力出口面板输入，
它是从边界条件打开的
（
见设定边界条件
一节）。
Figure 1:
压力出口面板
定义静压
要在压力出口边界设定静压
，
请在压力出口面板设定适当的
Gauge
压力值。
这一
值只用于压声速。如果出现当地超声速情况，
压力要从上游条件推导出来。
需要记住的是这个静压和你在操
作条件面板中的操作压力是相关的。
请参阅有关
于压力输入和静
压头相关输入的解释。
FLUENT
还提供了使用平衡出口边界条件的选项。要使这个选项激活，打开辐射
平衡压力分布。<
/p>
当这一功能被激活时，
指定的
gauge
压力只用于边界处的最小最
小半径位置
（相对于旋转轴）
。
其余边界的静压是从辐射速度可忽略不计的
假定
中计算出来的，压力梯度由下是给出：
其中
r
是
从旋转轴的距离，
v_q
是切向速度。即使旋转速度为零也可以
使用这一
边界条件。例如，它可以用于计算通过具有导流叶片的环面流动。
注意：辐射平衡出口条件，只用于三维或者轴对称涡流计算。
定义回流条件
与你所使用的模型一致
的回流属性会出现在压力出口面板中。
指定的值只用于通
过出口
进入的流动。
-
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