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1、 基本設(shè)置1 Double Precision的選擇啟動設(shè)置如圖，這里著重說說Double Precision（雙精度）復(fù)選框，對于大多數(shù)情況，單精度求解器已能很好的滿足精度要求，且計算量小，這里我們選擇單精度。然而對于以下一些特定的問題，使用雙精度求解器可能更有利 李鵬飛,徐敏義,王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實戰(zhàn)：FLUENT GAMBIT ICEM CFD TecplotM. 北京,人民郵電出版社,2011:114-116。a. 幾何特征包含某些極端的尺度（如非常長且窄的管道），單精度求解器可能不能足夠精確地表達各尺度方向的節(jié)點信息。b. 如果幾何模型包含多個通過小直徑管道相互連接的體，而某一個區(qū)域的壓力特別大（因為用戶只能設(shè)定一個總體的參考壓力位置），此時，雙精度求解器可能更能體現(xiàn)壓差帶來的流動（如漸縮漸擴管的無粘與可壓縮流動模擬）。c. 對于某些高導(dǎo)熱系數(shù)比或高寬縱比的網(wǎng)格，使用單精度求解器可能會遇到收斂性不佳或精確度不足不足的問題，此時，使用雙精度求解器可能會有所幫助。2 網(wǎng)格光順化用光滑和交換的方式改善網(wǎng)格：通過Mesh下的Smooth/Swap來實現(xiàn)，可用來提高網(wǎng)格質(zhì)量，一般用于三角形或四邊形網(wǎng)格，不過質(zhì)量提高的效果一般般，影響較小，網(wǎng)格質(zhì)量的提高主要還是在網(wǎng)格生成軟件里面實現(xiàn)，所以這里不再用光滑和交換的方式改善網(wǎng)格，其原理可參考FLUENT全攻略（已下載）。3 Pressure-based與Density-based求解器設(shè)置如圖。下面說一說Pressure-based和Density-based的區(qū)別：Pressure-Based Solver是Fluent的優(yōu)勢，它是基于壓力法的求解器，使用的是壓力修正算法，求解的控制方程是標(biāo)量形式的，擅長求解不可壓縮流動，對于可壓流動也可以求解；Fluent 6.3以前的版本求解器，只有Segregated Solver和Coupled Solver，其實也是Pressure-Based Solver的兩種處理方法；Density-Based Solver是Fluent 6.3新發(fā)展出來的，它是基于密度法的求解器，求解的控制方程是矢量形式的，主要離散格式有Roe，AUSM+，該方法的初衷是讓Fluent具有比較好的求解可壓縮流動能力，但目前格式?jīng)]有添加任何限制器，因此還不太完善；它只有Coupled的算法；對于低速問題，他們是使用Preconditioning方法來處理，使之也能夠計算低速問題。Density-Based Solver下肯定是沒有SIMPLEC，PISO這些選項的，因為這些都是壓力修正算法，不會在這種類型的求解器中出現(xiàn)的；一般還是使用Pressure-Based Solver解決問題?；趬毫Φ那蠼馄鬟m用于求解不可壓縮和中等程度的可壓縮流體的流動問題。而基于密度的求解器最初用于高速可壓縮流動問題的求解。雖然目前兩種求解器都適用于各類流動問題的求解（從不可壓縮流動到高度可壓縮流動），但對于高速可壓縮流動而言，使用基于密度的求解器通常能獲得比基于壓力的求解器更為精確的結(jié)果。4 axisymmetric和axisymmetric swirl從字面的意思很好理解axisymmetric和axisymmetric swirl的差別：axisymmetric：是軸對稱的意思，也就是關(guān)于一個坐標(biāo)軸對稱，2D的axisymmetric問題仍為2D問題。而axisymmetric swirl：是軸對稱旋轉(zhuǎn)的意思，就是一個區(qū)域關(guān)于一條坐標(biāo)軸回轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的區(qū)域，這產(chǎn)生的將是一個回轉(zhuǎn)體，是3D的問題。在Fluent中使用這個，是將一個3D的問題簡化為2D問題，減少計算量，需要注意的是，在Fluent中，回轉(zhuǎn)軸必須是x軸。5 操作工況參數(shù)（Operating Conditions）1 操作壓力的介紹關(guān)于參考壓力的設(shè)定，首先需了解有關(guān)壓力的一些定義。ANSYS FLUENT中有以下幾個壓力，即Static Pressure（靜壓）、Dynamic Pressure（動壓）與Total Pressure（總壓）；Absolute Pressure（絕對壓力）、Relative Pressure（參考壓力）與Operating Pressure（操作壓力）。這些壓力間的關(guān)系為，Total Pressure（總壓）=Static Pressure（靜壓）+Dynamic Pressure（動壓）；Absolute Pressure（絕對壓力）=Operating Pressure（操作壓力）+Gauge Pressure（表壓）。其中，靜壓、動壓和總壓是流體力學(xué)中關(guān)于壓力的概念。靜壓是測量到的壓力，動壓是有關(guān)速度動能的壓力，是流動速度能量的體現(xiàn)。而絕對壓力、操作壓力和表壓是FLUENT引入的壓力參考量，在ANSYS FLUENT中，所有設(shè)定的壓力都默認為表壓。這是考慮到計算精度的問題。2 操作壓力的設(shè)定設(shè)定操作壓力時需要注意的事項如下：l 對于不可壓縮理想氣體的流動，操作壓力的設(shè)定直接影響流體密度的計算，因為對于理想氣體而言，流動的密度由理想氣體方程獲得，理想氣體方程中的壓力為操作壓力。l 對于低馬赫數(shù)的可壓縮流動而言，相比絕對靜壓，總壓降是很小的，因此其計算精度很容易受到數(shù)值截斷誤差的影響。需要采取措施來避免此誤差的形成，ANSYS FLUENT通過采用表壓（由絕對壓力減去操作壓力）的形式來避免截斷誤差的形成，操作壓力一般等于流場中的平均總壓。l 對于高馬赫數(shù)可壓縮流動的求解而言，因為此時的壓力比低馬赫可壓縮流動的大得多，所以求解過程中的截斷誤差的影響不大，可以不設(shè)定表壓。由于ANSYS FLUENT中所有需輸入的壓力都為表壓，因此此時可以將操作壓力設(shè)定為0（這樣可以最小化由于壓力脈動而引起的誤差），使表壓與絕對壓力相等。l 如果密度設(shè)定為常數(shù)或者其值由通過溫度變化的函數(shù)獲得，操作壓力并沒有在計算密度的過程中被使用。l 默認的操作壓力為101325Pa。操作壓力的設(shè)定主要基于兩點考慮，一是流動馬赫數(shù)的大小，二是密度計算方法。表格 1 操作壓力的推薦設(shè)置密度關(guān)系式馬赫數(shù)操作壓力理想氣體定律大于0.10或約等于流場的平均壓力理想氣體定律小于0.1約等于流場的平均壓力關(guān)于溫度的函數(shù)不可壓縮不使用常數(shù)不可壓縮不使用不可壓縮的理想氣體不可壓縮約等于流場的平均壓力3 關(guān)于參考壓力位置的設(shè)定對于不涉及任何壓力邊界條件的不可壓縮流動，ANSYS FLUENT在每次迭代后要調(diào)整表壓值。這個過程通過使用參考壓力位置處（或該位置附近）節(jié)點的壓力完成。因此，參考壓力位置處的表壓應(yīng)一直為0。如果使用了壓力邊界條件，則不會使用到上述關(guān)系，因此參考壓力位置不被使用。參考壓力位置默認為等于或接近（0，0，0）的節(jié)點中心位置。實際計算中可能需要設(shè)置參考壓力位置到絕對靜壓已知的位置處。在Operating Conditions對話框中的Reference Pressure Location選項組中設(shè)置新的參考壓力位置的x，y，z的坐標(biāo)即可。如果要考慮某一方向的加速度，如重力，可以勾選Gravity復(fù)選框。對于VOF計算，應(yīng)當(dāng)選擇Specified Operating Density，并且在Operating Density 下為最輕相設(shè)置密度。這樣做排除了水力靜壓的積累，提高了round-off精度為動量平衡。同樣需要打開 Implicit Body Force，部分平衡壓力梯度和動量方程中體積力，提高解的收斂性。Reference Pressure Location（參考壓強位置）應(yīng)是位于流體永遠是100%的某一相（空氣）的區(qū)域，光滑和快速收斂是其基本條件。2、 求解模型的設(shè)定1 流動模型的設(shè)置1 無粘模型理想流體是一種設(shè)想的沒有粘性的流體，在流動時各層之間沒有相互作用的切應(yīng)力，即沒有內(nèi)摩擦力。十分明顯，理想流體對于切向變形沒有任何抗拒能力。應(yīng)該強調(diào)指出，真正的理想流體在客觀實際中是不存在的，它只是實際流體在某些條件下的一種近似模型。在Inviscid流動模型應(yīng)用方面，無粘流動忽略了粘性對流動的影響，這對高雷諾數(shù)的流動是合適的，因為高雷諾數(shù)流動慣性力的作用遠大于粘性力的作用，粘性力可以忽略，所以可以將其考慮成無粘流動。無粘流動的求解更快，其激波在某些值上預(yù)測的偏高。無粘流動能對流動狀態(tài)和激波位置進行快速預(yù)測。馬赫數(shù)與激波馬赫數(shù)的定義是它表示流體的流動速度與當(dāng)?shù)芈曀僦?，是一個無量綱的參量。對應(yīng)于，和這三種情況的流動分別稱為亞聲速流、聲速流和超聲速流。當(dāng)馬赫數(shù)很小時，速度的相對變化只能引起很小的密度相對變化，但當(dāng)馬赫數(shù)很大時，則將引起較大的密度相對變化，這也說明了馬赫數(shù)是流體壓縮性的一個表征。當(dāng)飛機、炮彈和火箭以超音速飛行時，或者發(fā)生強爆炸、強爆震時，氣流受到急劇的壓縮，壓強和密度突然顯著增加，這時所產(chǎn)生的壓強擾度將比聲速大得多的速度傳播，波陣面所到之處氣流的各種參數(shù)都將發(fā)生顯著變化，參數(shù)突躍。這樣一個強間斷面叫做激波陣面。漸縮漸擴管的流動是計算流體力學(xué)模擬的經(jīng)典問題之一。在這類流動中，激波的出現(xiàn)是流動中可壓縮效應(yīng)的體現(xiàn)。精確的激波模擬是CFD研究的熱點之一。為了更好捕捉壓力梯度，需要采用較細的網(wǎng)格并結(jié)合合適的數(shù)值模擬和格式。很多實際模擬中，局部網(wǎng)格的自適應(yīng)會很有幫助。2 層流模型流動有層流和湍流之分，判斷湍流的標(biāo)準(zhǔn)可以參考 李鵬飛,徐敏義,王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實戰(zhàn)：FLUENT GAMBIT ICEM CFD TecplotM. 北京,人民郵電出版社,2011:122，這里寫出內(nèi)流的判斷標(biāo)準(zhǔn)：對于內(nèi)流而言，一般大多數(shù)流動都是湍流，一般不使用湍流模型。而對一些外流而言（如外掠平板或是外掠障礙物），則很有可能是層流運動。3 湍流模型的評價與選擇a. 湍流模型這里我們使用的湍流模型是Standard 模型，這種模型應(yīng)用較多，計算量適中，有較多數(shù)據(jù)積累和比較高的精度，對于曲率較大和壓力梯度較強等復(fù)雜流動模擬效果欠佳。一般工程計算都使用該模型，其收斂性和計算精度能滿足一般的工程計算要求，但模擬旋流和繞流時有缺陷。壁面函數(shù)的選擇對于有壁面的流動，當(dāng)主流為充分發(fā)展湍流時，根據(jù)離壁面法線距離不同，可將流動劃分為壁面區(qū)（或稱內(nèi)區(qū)、近壁區(qū)）和核心區(qū)（或稱外區(qū)）。核心區(qū)是完全湍流區(qū)，為充分發(fā)展的湍流。在壁面區(qū)，由于有壁面的影響，流動與核心區(qū)不同。壁面區(qū)可分為3個子層：粘性底層、過渡層和對數(shù)率層。粘性底層是一個緊貼壁面的極薄層，在動量、熱量和質(zhì)量的交換過程中粘性力起主要作用，而湍流切應(yīng)力可以忽略，因此流動幾乎可以看成層流流動，且在平行于壁面方向上的速度呈線性分布。過渡層處于粘性底層之外，在此層中，粘性力和湍流切應(yīng)力的作用相當(dāng)，流動狀況較為復(fù)雜，很難用公式或定律表述。實際工程計算中由于過渡層厚度極小，可不考慮此層，直接以對數(shù)率層的方法處理。對數(shù)率層處于近壁區(qū)的最外層，粘性力的影響不明顯，湍流切應(yīng)力占主要地位，流動處于充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，流速分布接近對數(shù)律。壁面區(qū)內(nèi)不同子層的高度和速度可以沿壁面法向的無量綱高度和無量綱速度表達。其中，是流體的時均速度，是壁面摩擦速度，是壁面切應(yīng)力，是壁面的垂直距離。在時，區(qū)域為粘性底層，此時速度沿壁面法線方向呈線性分布，即。在時，流動處于對數(shù)率層，此時速度沿壁面法線方向呈對數(shù)率分布，即。壁面函數(shù)法的本質(zhì)是，對于湍流核心區(qū)的流動使用模型求解，而在壁面區(qū)并不進行求解，直接使用半經(jīng)驗公式得出該區(qū)域的速度等物理量。FLUENT提供了多種壁面函數(shù)處理方式，如標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法、非平衡壁面函數(shù)法和增強壁面處理。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法利用對數(shù)校正法提供了必需的壁面邊界條件（對于平衡湍流邊界層）。而非平衡壁面函數(shù)法用來改善高壓力梯度、分離、再附和滯止等情況下的結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法和非平衡壁面函數(shù)法都允許在近避免區(qū)域上使用較粗的網(wǎng)格。對于大多數(shù)高雷諾數(shù)情況使用標(biāo)準(zhǔn)的或者非平衡的壁面函數(shù)（）。增強壁面處理選項把混合邊界模型和兩層邊界模型結(jié)合起來，對低雷諾數(shù)流動或者復(fù)雜近壁面現(xiàn)象很適合，湍流模型在內(nèi)層上得到了修正。表格 2 幾種壁面處理方法的比較優(yōu)點缺點標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法應(yīng)用較多，計算量小，有較高的精度適合高雷諾數(shù)流動，對低雷諾數(shù)流動問題，有壓力梯度、高度蒸騰和大的體積力、低雷諾數(shù)和高速三維流動問題不適合非平衡壁面函數(shù)法考慮了壓力梯度，可以計算分離，在附著以及撞擊問題對低雷諾數(shù)流動問題，有較強壓力梯度、強體積力及強三維性問題不適合增強壁面處理不依賴壁面法則，對于復(fù)雜流動，特別是低雷諾數(shù)流動很適合要求網(wǎng)格密，因而要求計算機處理時間長，內(nèi)存大2 多相流模型1 VOF模型該模型通過求解單獨的動量方程和處理穿過區(qū)域的每一流體的容積比來模擬兩種或三種不能混合的流體。典型的應(yīng)用包括流體噴射、流體中大泡運動、流體在大壩壩口的流動、氣液界面的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)處理等。一般而言VOF主要適用于非穩(wěn)態(tài)的多相流模型，僅對某些特定問題的多相流模型的穩(wěn)態(tài)問題能夠適用。VOF方法適用于計算空氣和水這樣不能互相摻混的流體流動，對于分層流和活塞流，最方便的就是選擇VOF模型。需要注意的是，對于湍流模型的設(shè)置，VOF不能用于無粘流，也不能用大渦模擬 李進良, 李承曦, 胡仁喜. 精通FLUENT.6.3流場分析M. 北京, 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009:231-236。Geo-Reconstruct格式Geo-Reconstruct格式（在Solution Methods中設(shè)置）是一種較為精確的追蹤自由表面的計算格式，廣泛地應(yīng)用于瞬變流的VOF問題中，但必須注意的要使用該格式VOF模型必須使用顯示離散格式（在VOF模型設(shè)置選項設(shè)置）。Body Force Formulation 為提高解的收斂性，對于涉及到表面張力的計算，建議在Body Force Formulation 中勾選 Implicit Body Force。這樣做由于壓力梯度和動量方程中表面張力的部分平衡，從而提高解的收斂性。2 Mixture模型這是一種簡化的多相流模型，用于模擬各種有不同速度的多相流，但是假定了在短空間尺度上局部的平衡。相之間的耦合應(yīng)當(dāng)是很強的。它也用于模擬有強烈耦合的各向同性多相流和各向以相同速度運動的多相流。典型的應(yīng)用包括沉降（sedimentation）、氣旋分離器、低載荷作業(yè)下的多粒子流動、氣相容積率很低的泡狀流。Mixture Parameters一般需要勾選Mixture Parameters中的Slip Velocity復(fù)選框，以此來求解滑移速度模型，因為在多相流中各種組分的速度有很大不同。對于求解一個均勻的多相流問題可以選擇不做滑移速度的計算，可以在mixture parameters選項下將slip velocity關(guān)掉。3 Eulerian模型該模型可以模擬多相分離流及相互作用的相，相可以是液體、氣體、固體。與在離散相模型中Eulerian-Lagrangian方案只用于離散相不同，在多相流模型中Eulerian方案用于模型中的每一項。3 固化與熔化模型FLUENT 采用“焓多孔度（enthalpy-porosity）”技術(shù)模擬流體的固化和熔化（Solidification/Melting）過程。在流體的固化和熔化問題中，流場可以分成流體區(qū)域、固體區(qū)域和兩者之間的糊狀區(qū)域。“焓多孔度”技術(shù)采用的計算策略是將流體在網(wǎng)格單元內(nèi)占有的體積百分比定義為多孔度（porosity），并將流體和固體并存的糊狀區(qū)域看作多孔介質(zhì)區(qū)進行處理。在流體的固化過程中，多孔度從1 降低到0；反之，在熔化過程中，多孔度則從0 升至1。“焓多孔度”技術(shù)通過在動量方程中添加匯項（即負的源項）模擬因固體材料存在而出現(xiàn)的壓強降?！办识嗫锥取奔夹g(shù)可以模擬的問題包括純金屬或二元合金中的固化、熔化問題、連續(xù)鑄造加工過程等。計算中可以計算固體材料與壁面之間因空氣的存在而產(chǎn)生的熱阻，固化、熔化過程中組元的輸運等等。需要注意的是，在求解固化、熔化問題的過程中，只能采用分離算法，只能與VOF模型配合使用，不能計算可壓縮流，不能單獨設(shè)定固體材料和流體材料的性質(zhì)，同時在模擬帶反應(yīng)的組元輸運過程時，無法將反應(yīng)區(qū)限制在流體區(qū)域，而是在全流場進行反應(yīng)計算。1 Parameters定義在Parameters 下面定義Mushy Zone Constant（糊狀區(qū)域常數(shù)）。這個常數(shù)的取值范圍一般在104 到107 之間，取值越大沉降曲線就越陡峭，固化過程的計算速度就越快，但是取值過大容易引起計算振蕩，因此需要在計算中通過試算獲得最佳數(shù)值。2 Materials設(shè)置在Materials（材料）面板上，定義Melting Heat（熔化熱）、Solidus Temperature（固相點溫度）和Liquidus Temperature（液相點溫度）。如果計算中涉及組元輸運過程，則必須同時定義溶劑的融解溫度（Melting Temperature），同時需要定義熔化物的液相線相對于濃度的斜率（Slope of Liquidus Line）、分配系數(shù)（Partition Coefficient）和固體中的擴散速率（Diffusion in Solid）等參數(shù)。3 設(shè)置邊界條件除了常規(guī)的邊界條件設(shè)置，對于固化和熔化問題還有一些特殊設(shè)置，其中包括：在計算壁面接觸熱阻時設(shè)置接觸熱阻（Contact Resistance）。這個參數(shù)在Wall（壁面）面板中的Thermal Conditions（熱力學(xué)條件）下給定。如果需要定義壁面上表面張力對溫度的梯度，則在 Shear Condition（剪切條件）下選擇Marangoni Stress（Marangoni 應(yīng)力）選項。如果計算拉出速度，則在邊界條件中的速度邊界條件將被用于拉出速度的計算。3、 相設(shè)置相設(shè)置一般用于多相流的設(shè)置，對于相設(shè)置，這里主要講一下Interaction的設(shè)置，如圖：Interaction設(shè)置Interaction設(shè)置用來定義兩相的相互作用，其有多個選項卡，如圖。Drag選項卡針對每對物相，在下拉菜單中選擇阻力函數(shù)。其中包括schiller-naumann 模型、morsi-alexander 模型、symmetric（對稱）模型等用于流體與流體之間阻力計算的模型，也包括wen-yu 模型、gidaspow 模型、syamlal-obrien 模型等用于液體與固體之間阻力計算的模型，還包括syamlal-obrien-symmetric 模型用于固體與固體之間的阻力計算。除此之外，還可以將阻力函數(shù)定義為constant（常數(shù)），或者選擇user-defined（用戶定義）由用戶自己定義阻力函數(shù)。如果計算中不需要設(shè)定阻力，還可以選擇none（不計阻力）選項。阻力設(shè)置的相關(guān)原理比較復(fù)雜，可參考幫助，一般保持默認的schiller-naumann設(shè)置不變。Surface Tension選項卡Surface Tension選項卡用來定義表面張力，如果相包含壁面粘附，可勾選“Wall Adhesion”復(fù)選框。4、 Cell Zone Conditionl Frame Motion選項對于流體，可以通過Frame Motion選項確定坐標(biāo)運動方式（如離心泵內(nèi)部流體的旋轉(zhuǎn)使用運動參考系模型），如圖：Rotation-Axis Origin指轉(zhuǎn)軸，Rotational Velocity值旋轉(zhuǎn)速度。5、 邊界條件設(shè)置1 速度進口邊界條件（Velocity Inlet）速度進口邊界條件用進口處流場速度及相關(guān)流動變量作為邊界條件，在速度進口邊界條件中，流場進口邊界的駐點參數(shù)是不固定的。為了滿足進口處的速度條件，駐點參數(shù)將在一定范圍內(nèi)波動。需要注意的是，因為這種條件中允許駐點參數(shù)浮動，所以速度進口邊界條件僅適用于不可壓流，如果用于可壓流，則可能導(dǎo)致出現(xiàn)非物理解。同時還要注意的是，不要讓速度進口條件過于靠近進口內(nèi)側(cè)的固體障礙物，這樣會使駐點參數(shù)的不均勻程度大大增加。湍流參數(shù)的設(shè)置對于一般的流動邊界條件，均涉及到湍流參數(shù)的定義，在Turbulence Specification Method （湍流定義方法）下拉列表中，可以簡單地用一個常數(shù)來定義湍流參數(shù)，即通過給定湍流強度、湍流粘度比、水力直徑或湍流特征長在邊界上的值來定義流場邊界上的湍流。a. 湍流強度（Turbulence Intensity）湍流強度定義如下：上式中，是速度脈動量， 是平均速度。比較常用的是Intensity and Hydraulic Diameter，湍流強度與水力直徑的確定有相應(yīng)的計算方法，這里只是采用估算來加以確定。內(nèi)流問題進口處的湍流強度取決于上游流動狀態(tài)。如果上游是沒有充分發(fā)展的未受擾流動，則進口處可以使用低湍流強度。如果上游是充分發(fā)展的湍流，則進口處湍流強度可以達到幾個百分點。如果管道中的流動是充分發(fā)展的湍流，則湍流強度（turbulence intensity）可以用下面公式計算得到，這個公式是從管流經(jīng)驗公式得到的：其中：為按等效水力直徑計算得到的雷諾數(shù)。湍流強度小于1時，可以認為湍流強度是比較低的，而在湍流強度大于10時，則可以認為湍流強度是比較高的。比如，當(dāng)雷諾數(shù)為50000時，代入上述公式可得到湍流強度為4%，默認的湍流強度設(shè)置為5%（中等強度）。b. 湍流的長度尺度與水力直徑湍流的長度尺度（Turbulence Length Scale）與水力直徑（Hydraulic Diameter）是設(shè)置湍流的重要參數(shù)。湍流能量主要集中在大渦結(jié)構(gòu)中，而湍流長度尺度則是與大渦結(jié)構(gòu)相關(guān)的物理量。在充分發(fā)展的管流中，因為漩渦尺度不可能大于管道直徑，所以是受到管道尺寸制約的幾何。湍流長度尺度與管道物理尺寸關(guān)系可以表示為： 式中的比例因子0.07 是充分發(fā)展管流中混合長的最大值，而則是管道直徑。在管道截面不是圓形時，可以取為管道的水力直徑。水力直徑是在管內(nèi)流動（internal pipe flow）中引入的，其目的是為了給非圓管流動取一個合適的特征長度來計算其雷諾數(shù)。四倍的濕橫截面面積與濕圓周長度之商。湍流的特征長取決于對湍流發(fā)展具有決定性影響的幾何尺度。在上面的討論中，管道直徑是決定湍流發(fā)展過程的唯一長度量。如果在流動中還存在其他對流動影響更大的物體，比如在管道中存在一個障礙物，而障礙物對湍流的發(fā)生和發(fā)展過程起著重要的干擾作用。在這種情況下，湍流特征長就應(yīng)該取為障礙物的特征長度。從上面的分析可知，雖然上式對于大多數(shù)管道流動是適用的，但并不是普遍適用的，在某些情況下可以進行調(diào)整。在 FLUENT 中選擇特征長或湍流長度尺度的方法如下：1）對于充分發(fā)展的內(nèi)流，可以用Intensity and Hydraulic Diameter（湍流強度與水力直徑）方法定義湍流，其中湍流特征長度就是Hydraulic Diameter（水力直徑）。2）對于導(dǎo)向葉片或分流板下游的流場，可以用Intensity and Hydraulic Diameter（湍流強度與水力直徑）定義湍流，并在Hydrauli Diameter（水力直徑）中將導(dǎo)向葉片或分流板的開口部分的長度定義為特征長度。3）如果進口處的流動為受到壁面限制且?guī)в型牧鬟吔鐚拥牧鲃?，可以在Intensity and Length Scale 面板中用邊界層厚度通過公式計算得到湍流長度尺度。最后在Turbulence Length Scale（湍流長度尺度）中輸入的值。c. 湍流動能和湍流耗散率在使用各種模型對湍流進行計算時，需要給定進口邊界上的湍流動能（Turbulent Kinetic Energy）和湍流耗散率（Turbulent Dissipation Rate）的估算值。目前沒有理論上的精確計算這兩個參數(shù)的公式，只能通過試驗得到。但不可能對各種各樣的流動都去做試驗，因此，我們必須借助文獻中已有的近似公式來估算（許多商用CFD軟件也是這樣處理的）。對于沒有已知條件的情況，可根據(jù)湍流強度和特征長度，由下式粗略估計和的分布：式中為湍流模型中的一個經(jīng)驗常數(shù)，其值約等于0.09。在沒有直接輸入湍流動能和湍流耗散率的情況下，可以用Intensity and Hydraulic Diameter（湍流強度與水力直徑）或Intensity and Length Scale（湍流強度與長度尺度）等辦法，利用上述公式確定湍流動能和湍流耗散率。2 壓強進口邊界條件（Pressure Inlet）壓強進口邊界條件用于定義進口流體的壓強，可用于不可壓縮和可壓縮流動。當(dāng)進口壓強已知，而流動速度或流量未知時，可使用壓強進口邊界條件。壓強進口邊界條件也可用于定義外部或非受限流動的“自由邊界”。定義總壓與靜壓首先道總壓（）與靜壓（）的關(guān)系如下（根據(jù)伯努力積分）：在Momentum（動量）選項卡內(nèi)，Reference Frame為參考值，有絕對值（Absolute）與相對于臨近區(qū)域值（Relative to Adjacent Zone）兩個選項供選擇，一般保持默認的絕對值，Gauge Total Pressure（表總壓）文本框中輸入總壓的值。靜壓在FLUENT中被稱為Supersonic/Initial Gauge Pressure（超音速/初始表壓），如果進口流動是超音速的或者是準(zhǔn)備壓強進口邊界條件進行計算的初始化工作，則必須定義靜壓。在流場為亞音速時，F(xiàn)LUENT將忽略Supersonic/Initial Gauge Pressure（超音速/初始表壓）的輸入數(shù)據(jù)，而用駐點參數(shù)求出靜壓。（例如，對于空氣，當(dāng)速度為時，可先求出其動壓為，靜壓等于總壓減去動壓得到。）對于高雷諾數(shù)的計算，由于采用壓強入口邊界條件，湍流強度并不易求出，這里給出推薦范圍1%5%（當(dāng)然也可以采用預(yù)估的方法估計一下）。3 壓強出口邊界條件（Pressure Outlet）壓強出口邊界條件在流場出口邊界上定義靜壓，而靜壓的值僅在流場為亞音速時使用。如果在出口邊界上流場達到超音速，則邊界上的壓強將從流場內(nèi)部通過插值得到。其他流場變量均從流場內(nèi)部通過插值獲得。在壓強出口邊界上還需要定義“回流（backflow）”條件?；亓鳁l件是在壓強出口邊界上出現(xiàn)回流使用的邊界條件，這樣計算將更容易收斂。FLUENT在壓強出口邊界條件上可以使用徑向平衡條件，同時可以給定預(yù)期的流量。有關(guān)回流的湍流參數(shù)的設(shè)置如下圖所示，需要說明的是這些湍流參數(shù)只有當(dāng)回流發(fā)生時才被使用。但是即使在計算結(jié)果中沒有回流出現(xiàn)，也應(yīng)該將出口條件用真實流場的值設(shè)定，這樣可以在計算過程中出現(xiàn)回流時加速收斂。4 出流邊界條件（Outflow）出流邊界條件用于模擬在求解前流速和壓力未知的出口邊界。在該邊界上，用戶不需要定義任何內(nèi)容（除非模擬輻射傳熱、粒子的離散相及多口出流）。該邊界條件適用于出口處的流動是完全發(fā)展的情況。所謂完全發(fā)展，意味著出流面上的流動情況由區(qū)域內(nèi)部外推得到，且對上游流動沒有影響。出游邊界條件不能用于可壓流動，也不能與壓力進口邊界一起使用（壓力進口邊界條件可與壓力出口邊界條件一起使用）。出口邊界條件的設(shè)置比較簡單，只需給定所指定的出流邊界上流體的流出量權(quán)重（占總流出量的百分比）。如果系統(tǒng)只有一個出口，則直接輸入“1”即可。注意：在使用出流邊界條件時，如果在計算過程中，在出流邊界上的任何一點有回流，計算的收斂性都會受到影響，尤其在進行湍流計算時，這種現(xiàn)象比較明顯。這里，可嘗試使用壓力出口邊界條件代替出流邊界條件。5 內(nèi)部界面（interior）與交界面（interface）這兩種面用于兩個區(qū)域的交界處，在此界面上不需要用戶輸入任何內(nèi)容，只需要指定其位置。一般內(nèi)部節(jié)點單元的表面都默認是內(nèi)部界面。內(nèi)部界面（interior）邊界條件用在兩個區(qū)域（如水泵中同葉輪一起旋轉(zhuǎn)的流體區(qū)域與周圍的非旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域）的界面處，將兩個區(qū)域“隔開”。在該邊界上，不需要用戶輸入任何內(nèi)容，只需要指定其位置。我們注意到，相接壁面在導(dǎo)入FLUENT時，F(xiàn)LUENT會為該壁面生成另外一個相應(yīng)的shadow wall，將相接壁面由wall更改為interior時，F(xiàn)LUENT會將wall與shadow wall合并為interior類型。內(nèi)部界面實際是兩個區(qū)域公用一個界面（只有一個面）。交界面（interface）也是兩個區(qū)域的交界，不同的是有兩個面成對出現(xiàn)。對于交界面，必須是重合或部分重合，需要在fluent中定義。交界面網(wǎng)格劃分可以不一樣，fluent會自動在重合的部分進行變量的插值和傳遞。這個功能使得劃分網(wǎng)格變得容易許多，對于復(fù)雜的模型可以采取分塊劃分。如果可以熟練的將兩個區(qū)域的網(wǎng)格劃分出來，并使得交界處的節(jié)點統(tǒng)一（合并節(jié)點），那么可以不用采用interface，直接采用interior是最好的選擇，因為采用這種方式即提高計算速度又提高計算精度。相反，采用interface由于插值過程的存在，必然會降低計算速度和精度。注意：interior界面處的網(wǎng)格必須節(jié)點保持一致，interface可以不用一致，但要保證interface是成對出現(xiàn)的。 6 壁面邊界條件（wall）一般來說，壁面邊界條件指定后不用修改，但有些情況會做一些相應(yīng)的設(shè)置，下面是一些特殊例子。l 離心泵旋轉(zhuǎn)的葉輪，因葉輪要隨內(nèi)部流體旋轉(zhuǎn)，故其需設(shè)置moving wall（雖然moving wall條件一般在動網(wǎng)格條件下使用，但這里的moving wall的設(shè)置并不代表使用動網(wǎng)格，這里為表示葉輪隨流體坐標(biāo)系的相對運動，取 Relative to Adjacent Cell Zone。由于內(nèi)部流體取動坐標(biāo)系，故只需取旋轉(zhuǎn)速度為0即可表示葉輪旋轉(zhuǎn)）。6、 求解1 SIMPLE、SIMPLEC、PISO與Coupled在Solution Methods設(shè)置中，使用Pressure-based求解器時，在求解時涉及到算法的問題，這里的算法一般有以下幾種：SIMPLE、SIMPLEC、PISO和Coupled。在FLUENT 6.3版本以前，這四種算法分為2類，即前3種稱為分離求解方法，第4種稱為耦合求解方法。下面對這幾種方法做簡要介紹。SIMPLE算法是目前工程上應(yīng)用最為廣泛的一種流場計算方法，它屬于壓力修正法的一種。其原理這里不做詳細介紹，可參考關(guān)于計算流體力學(xué)的書籍。SIMPLEC算法與SIMPLE算法的基本思路一致，僅在通量修正方法上有所改進，因而加快了計算的收斂速度。SIMPLEC算法為求解非復(fù)雜問題時比較好的選擇，使用SIMPLEC算法時，壓力耦合算法的欠松弛因子一般應(yīng)設(shè)為1.0，這樣能加快收斂。SIMPLE算法與SIMPLEC算法在每個迭代步中得到的壓強場都不能完全滿足動量方程，因此需要反復(fù)迭代，直到收斂。PISO算法針對SIMPLE算法中每個迭代步獲得的壓強場與動量方程偏離過大的問題，在每個迭代步增加了動量修正和網(wǎng)格畸變修正過程，因此雖然PISO算法的每個迭代步中的計算量大于SIMPLE算法和SIMPLEC算法，但是由于每個迭代步中獲得的壓強場更準(zhǔn)確，所以使得計算收斂得更快，也就是說獲得收斂解需要的迭代步數(shù)大大減少了。Coupled算法同時求解連續(xù)方程、動量方程和能量方程。計算過程也需要經(jīng)過迭代才能收斂得出最終的解。分離式求解方法以前主要用于從不可壓流動和微可壓流動，而耦合式求解器用于高速可壓流動?，F(xiàn)在，兩種求解器都適用于從不可壓到高速可壓流動，但總的來講，當(dāng)計算高速可壓流動時，耦合式求解器比分離式求解器更有優(yōu)勢 王福軍.計算流體動力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用M. 北京,清華大學(xué)出版社,2004:198。Non-Iterative Time AdvancementNon-Iterative Time Advancement（非迭代時間推進法）是專門針對非穩(wěn)態(tài)問題的一種方法，一般與PISO算法聯(lián)合使用，稱為瞬態(tài)問題的PISO算法。與穩(wěn)態(tài)問題的計算相區(qū)別，在瞬態(tài)計算的每個時間步內(nèi)，利用PISO算法計算時不需要迭代。PISO算法的精度取決于時間步長，使用越小的時間步長，可取得越高的計算精度，當(dāng)步長比較小時，不進行迭代也可保證計算有足夠的精度。FLUENT用戶手冊推薦，對于瞬態(tài)問題PISO算法有明顯的優(yōu)勢；而對于穩(wěn)態(tài)問題，可能選擇SIMPLE或SIMPLEC算法更為合適。2 離散格式的選擇在流動方向與網(wǎng)格方向基本一致時，可以選擇一階迎風(fēng)格式。一階迎風(fēng)格