Fluent出入口邊界條件設(shè)置及實(shí)例解析

1、問：用了很長(zhǎng)時(shí)間的fluent ，但一直沒有把壓力出入口邊界條件弄明白。請(qǐng)大俠給予正確指導(dǎo). 有的文檔說亞聲速流下initial 是0或者不填，而有的出版物則把total 和initial 設(shè)置成幾乎想等的值，或者差值為大氣壓，很困惑！比如說在一個(gè)噴射（亞聲速流）流場(chǎng)中，實(shí)際條件為噴嘴入口壓力40MPa ，出口壓力20MPa ，即流場(chǎng)內(nèi)圍壓20MPa ，這時(shí)，在壓力入口邊界條件的總壓、初始表壓以及壓力出口的表壓分別應(yīng)該設(shè)置多少？如果是超聲速流，又有什么區(qū)別？還有，operating condition下的operating pressure是否設(shè)置成0或者大氣壓有什么說法嗎？ A ：有的出版物

2、則把total 和initial 設(shè)置成幾乎想等的值。我在使用時(shí)一般也是采用這樣的方法，嚴(yán)格來講是有公式來計(jì)算的。但是這個(gè)值一般只是用于初始化，對(duì)結(jié)果影響不大，所以簡(jiǎn)單來講就設(shè)置成和出口的一樣。這個(gè)值對(duì)流場(chǎng)的初始化有一定的影響，設(shè)置成0也不是不可以，但會(huì)增加迭代步數(shù)。對(duì)于噴射而言，建議lz 將operating condition下的operating pressure設(shè)置為0 ，即是絕對(duì)壓力。二最近用Fluent 做模擬的時(shí)候一直在使用壓力出口邊界，對(duì)其中出口溫度、組分濃度等值的設(shè)置不是很明白，就仔細(xì)看了下Fluent User Guide，對(duì)壓力出口邊界描述如下：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，壓力出口邊界可以這樣表述，即，給定出口壓力，對(duì)流動(dòng)中的其他物理量均有流場(chǎng)內(nèi)部值差值得到。那邊界條件面板中設(shè)定的溫度（等）值有什么用呢？是出現(xiàn)回流時(shí)的回流值。三Fluent 內(nèi)部計(jì)算采用的都是相對(duì)壓強(qiáng)。在Define Operating Conditions中，所示的Ope

4、rating Pressure是操作壓強(qiáng)。默認(rèn)的操作壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓101325Pa.下面敘述一下筆者對(duì)采用Operating Pressure原因的理解。在計(jì)算低馬赫數(shù)的流動(dòng)中，流體流速相對(duì)聲速較低，這樣在流動(dòng)過程中產(chǎn)生的壓力降或者說壓力變化相對(duì)于流體的靜壓來講是很小的。因?yàn)樵诹鲃?dòng)中有壓力相對(duì)變化 和馬赫數(shù)的平方在一個(gè)數(shù)量級(jí)。筆者通常這樣理解壓力變化的緣由：粘性力、體積力、電磁力等有些力是無法避免的，這些力在會(huì)改變流動(dòng)流體的動(dòng)量和能量。在流 動(dòng)過程中，流體又遵循能量守恒和動(dòng)量守恒。速度的變化還和當(dāng)?shù)氐牧鲃?dòng)截面有關(guān)，因?yàn)榱鲃?dòng)還要求質(zhì)量守恒。速度和壓力是不可分割的。壓強(qiáng)的存在時(shí)刻使得能量和動(dòng)量守

5、恒。 筆者認(rèn)為壓強(qiáng)的存在是一種調(diào)配功能，它體現(xiàn)的是一個(gè)因變量的作用，用以平衡各項(xiàng)，使得流動(dòng)遵守三大定律。但流動(dòng)同時(shí)是耦合的，壓強(qiáng)的作用當(dāng)然不僅僅是這 些。溫度的改變、速度梯度的變化還直接影響密度、粘性和粘性應(yīng)力，這樣所有的力都和速度產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)。力和能量是無法分割的，和動(dòng)量更是有直接關(guān)系。再表前 題，壓力的相對(duì)變化和馬赫數(shù)的平方成正比，當(dāng)Ma<<1時(shí)，P/PMa²<<1,這樣在求解方程的時(shí)候如果所有節(jié)點(diǎn)的壓力仍然采用P 就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的舍入誤差。因此Fluent 特地在 Operating Conditions面板設(shè)置了Operating Pressure選項(xiàng)，

6、如此在內(nèi)部的計(jì)算過程中，所有節(jié)點(diǎn)的壓力將首先減去該值（默認(rèn)為101325Pa ）然后進(jìn)行計(jì)算。熟悉控制方程的讀者都知道，壓力 在所有方程中都是以相對(duì)量或者變化量出現(xiàn)的，故此這樣處理并不是更改方程，而是在方程的兩端都減去了一個(gè)常數(shù)值，使得所解的壓力變化和在方程中的壓力值處 在一個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣，在迭代的過程中舍入誤差將會(huì)大大減小。當(dāng)選用的計(jì)算流體為可壓縮流體（ideal gas等）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)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.即速度入口的邊界條件不適用于可壓縮流體問題，如果忽略該警示而繼續(xù)計(jì)算，那么計(jì)算結(jié)果是沒有意義的。這是因?yàn)榭蓧嚎s流體的密度與壓力直接相關(guān)，速度入口無法準(zhǔn)確提供入口工質(zhì)所處壓力，因此其密度不具備可信度，計(jì)算所得自然無意義。此時(shí)，可以采用將入口邊界設(shè)置為Pressure-inlet 。需要注意，在設(shè)置了Operating Pressure之后，一些邊界條件的設(shè)置面板上還會(huì)出現(xiàn) gauge pressure 選項(xiàng)，這其實(shí)是顧及了一些位置的壓力變化，因?yàn)橛行┤肟诨蛘哌吔绲膲毫赡懿⒉?/p>

8、是當(dāng)初設(shè)定的Operating Pressure，工況千變?nèi)f化，F(xiàn)luent 為了減小自己本身的計(jì)算量和提高對(duì)實(shí)際情況的仿真程度，設(shè)定了這一選項(xiàng)。比如已經(jīng)設(shè)定了Operating Pressure 為101325 Pa，但由于某種原因你的壓力出口處壓力并非101325，而是201325，這個(gè)時(shí)候就需要設(shè)置gauge pressure為 201325 - 101325 = 100000.界面上顯示的Supersonic （超音速的；超聲波的）/Initial Gauge Pressure指靜壓強(qiáng)。可能表示的是流體靜止時(shí)總壓相對(duì)于操作壓強(qiáng)的值，靜壓Ps 按可壓縮等熵流動(dòng)關(guān)系式，根據(jù)總壓Po 、M

9、數(shù)計(jì)算：Po/Ps=(1+(k-1/2*M2(k/(k-1k 為氣體絕熱指數(shù)。Gauge Total Pressure 指的是總壓。根據(jù)可壓縮流體的等熵過程可知，流體的運(yùn)動(dòng)將使得總壓加大，而且已經(jīng)有公式可以計(jì)算。計(jì)算所得的總壓減去操作壓強(qiáng)極為要設(shè)置的值。對(duì)于操作密度（operating density）的設(shè)置，F(xiàn)luent 的幫助文檔中提到，如果并沒有使用波斯尼斯假設(shè)（Boussinesq approximation）而所求解的場(chǎng)又有重力和流動(dòng)，那么推薦設(shè)定operating density。在默認(rèn)情況下，fluent 通過遍歷流體區(qū)域求得的密度的均值作為operating density，是

10、以在具有流動(dòng)的算例中，即使不設(shè)定operating density，系統(tǒng)也會(huì)自行設(shè)定。而往往通過顯示地自定義操作密度會(huì)達(dá)到更好收斂效果。operating density在fluent 中的調(diào)用過程如下：在動(dòng)量方程或者能量方程中，壓力項(xiàng)重定義為 ：p=p-（operating density）*g*h筆者自己理解的是，fluent 將重力中恒定的那一部分影響集成到了壓力梯度中，通過壓力修正方式解算出壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)之后，再把壓力中減去的那部分重力影響加上。設(shè)定的操作密度就以流動(dòng)區(qū)域的平均密度為準(zhǔn)即可。設(shè)置的大小本質(zhì)上不影響求解的流場(chǎng)結(jié)果，但會(huì)影響壓力場(chǎng)。四FLUENT 中存在很多種壓力，包括參考

11、壓力P ref ，絕對(duì)壓力P abs ，相對(duì)壓力P rel ，表壓 Pgauge ，總壓P total ，動(dòng)壓P dynamic ，靜壓P static ，大氣壓P atm 等。這里以一個(gè)實(shí)例來說明這些壓力關(guān)系。靜壓是指氣流在流動(dòng)過程中實(shí)際存在的一種壓強(qiáng)。它應(yīng)該是壓強(qiáng)感受器隨氣流一起運(yùn)動(dòng)時(shí)（即與氣流無相對(duì)運(yùn)動(dòng)）所測(cè)出來的壓強(qiáng)。1 流體在靜止時(shí)所產(chǎn)生的壓力。2 流體在流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的平行于流體運(yùn)動(dòng)方向的壓力。3流體中不受流速影響而測(cè)得的表壓力值。這些壓力之間的關(guān)系：pabs=pstatic+pref 絕對(duì)壓力，是靜壓和參考?jí)毫χ蚿atm=pgauge+pref 參考?jí)毫εc表壓之和為當(dāng)?shù)卮髿鈮?（錯(cuò)

12、誤？）pabs=pgauge+patm 絕對(duì)壓力=表壓力+大氣壓力ptotal=pstatic+pdynamic 總壓是靜壓與動(dòng)壓之和(二者可以互變pdynamic=(v2/2在fluent 中會(huì)出現(xiàn)這么幾個(gè)壓力： Staticpressure （靜壓）Dynamicpressure （動(dòng)壓）Totalpressure （總壓） 這幾個(gè)壓力是空氣動(dòng)力學(xué)的概念, 它們之間的關(guān)系為:Totalpressure （總壓）=Staticpressure（靜壓z ）+Dynamicpressure（動(dòng)壓） 滯止壓力等于總壓(因?yàn)闇箟毫褪撬俣葹?時(shí)的壓力, 此時(shí)動(dòng)壓為0. Staticpressure

13、 （靜壓）就是你測(cè)量的，比如你現(xiàn)在測(cè)量空氣壓力是一個(gè)大氣壓而在fluent 中，又定義了兩個(gè)壓力：Absolutepressure （絕對(duì)壓力）Relativepressure （參考?jí)毫Γ?還有兩個(gè)壓力operatingpressure （操作壓力）gaugepressure （表壓） 它們之間的關(guān)系為:Absolutepressure （絕對(duì)壓力）=operatingpressure（操作壓力）+gaugepressure（表壓） 上面幾個(gè)壓力實(shí)際上有些是一一對(duì)應(yīng)的，只是表述上的差別，比如： Staticpressure （靜壓）gaugepressure （表壓） 定義操作壓力對(duì)于可壓縮

14、流動(dòng)：把操作壓力設(shè)為0，把表壓看作絕對(duì)壓力靜壓就是我們尋常意義上的壓力，可以用壓力表測(cè)量獲得。其值是一個(gè)絕對(duì)壓力值，但是在軟件中表現(xiàn)為一個(gè)相對(duì)于操作壓力的相對(duì)值。在fluent 中靜壓的英文名稱為static pressure，在cfx 中，pressure 就是指的靜壓.不可壓縮流動(dòng)中，計(jì)算域內(nèi)總壓是守恒的。通常入口設(shè)置總壓值和靜壓值。該處的靜壓值用于初始化。壓力出口需要設(shè)置靜壓值。不可壓流動(dòng)中入口可以設(shè)置速度值，此時(shí)出口可以設(shè)置自由出流。壓力邊界與自由出流邊界容易導(dǎo)致收斂問題，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致非物理解?？蓧嚎s流動(dòng)中，入口可以設(shè)置壓力也可以設(shè)置流量。若為壓力入口，則需要設(shè)置靜壓值，此時(shí)若出口為靜

15、壓出口時(shí)，則壓力出口失效，出口的壓力是通過內(nèi)部迭代計(jì)算得到?？蓧嚎s流動(dòng)中，若入口為流量邊界，則計(jì)算域內(nèi)總壓不守恒，流量守恒。求解器通過調(diào)整總壓值以滿足流量要求。此時(shí)收斂會(huì)很難。因此，若流量與壓力均已知的情況下，優(yōu)先使用壓力入口總壓是靜壓與動(dòng)壓的和。在FLUENT 的壓力入口中常要求用戶輸入總壓值，其實(shí)這里是同時(shí)考慮了壓力與速度的。因此在壓力入口位置僅僅只是輸入壓力表讀數(shù)是不對(duì)的，因當(dāng)考慮速度的。當(dāng)然若此處速度為0的話，總壓值與靜壓值相等。Gauge pressure is zero-referenced against ambient air pressure, so it is equal

16、to absolute pressure minus atmospheric pressure.表壓是一種相對(duì)壓力，為真實(shí)壓力與大氣壓間的差值絕對(duì)壓力是真實(shí)壓力。其值等于靜壓與參考?jí)毫χ档暮?。之所以出現(xiàn)絕對(duì)壓力，主要是從數(shù)值上考慮。比如說，若計(jì)算域內(nèi)各位置的壓力值都很大，而在整個(gè)計(jì)算過程中壓力變化很小的話，則在計(jì)算過程中容易出現(xiàn)壓力變化值被湮沒的情況。此時(shí)需要將參考?jí)毫υO(shè)置為一個(gè)較大的值，以使各相對(duì)壓力值與壓力變化值在一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，這樣能夠提高數(shù)值精度。記?。篊FD 軟件計(jì)算的壓力值都是相對(duì)值。若想得到絕對(duì)壓力值，可設(shè)置參考?jí)毫χ禐?。FLUENT 默認(rèn)參考?jí)毫χ禐橐粋€(gè)大氣壓101325Pa

17、。FLUENT 中關(guān)于壓力的兩個(gè)重要概念是：伯努利方程與等熵條件。一個(gè)用于不可壓縮一個(gè)用于可壓縮中。壓力系數(shù),Cp, 是表征靜壓相對(duì)動(dòng)壓變化的物理量Cp = (P - P/(v2/2,FLUENT 中的計(jì)算方法 Cp = (Pstatic Pgauge/( v2/2. 1、計(jì)算條件計(jì)算模型為旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱模型，半徑100mm 。 圖 2 計(jì)算網(wǎng)格計(jì)算用網(wǎng)格如圖2所示。流體密度，粘度，選擇Realizable k-epsilon模型，增強(qiáng)壁面函數(shù)模型。 圖 3 求解方法求解方程使用Coupled ，其他方程使用二階格式以提高精度。設(shè)置殘差標(biāo)準(zhǔn)1e-6。2、結(jié)果分析計(jì)算條件：入口采用速度入口，速度1m

18、/s，出口使用outflow ，參考?jí)毫υO(shè)置為101325。靜壓分布與速度分布云圖分布如圖4、圖5所示。動(dòng)壓分布如圖6所示。從上述三幅圖可以看出一下關(guān)系：（1）速度分布趨勢(shì)與動(dòng)壓分布趨勢(shì)保持一致，即速度大的區(qū)域，動(dòng)壓也較大（2）靜壓分布于速度分布呈相反趨勢(shì)，即靜壓大的區(qū)域速度較小。 圖 4 靜壓分布 圖 5 速度分布 圖 6 動(dòng)壓分布 圖 7 絕對(duì)壓力圖7為絕對(duì)壓力分布，其分布趨勢(shì)與圖4所示的靜壓分布趨勢(shì)完全一致，所不同的只是物理量大小，它們的值相差101325，即所設(shè)置的參考?jí)毫ΑＯ旅嬉詀xis 邊界上物理量進(jìn)行研究 圖 8 axis邊界壓力關(guān)系曲線圖8為axis 邊界上靜壓、動(dòng)壓及總壓關(guān)系

19、，很明顯的可以看出，總壓=靜壓+動(dòng)壓。新建一個(gè)變量PressureSum ，其表達(dá)式為Dynamic Pressure+Pressure，觀察其與totoalPressure 的區(qū)別。如圖9所示，兩物理量的值基本保持一致。 圖 9 總壓與自定義壓力曲線4、進(jìn)出口物理量分析進(jìn)出口物理量主要是總壓與流量，這里采用Report 方式進(jìn)行比較。選擇Reports 類型為Surface Integral ，彈出的對(duì)話框進(jìn)行圖11所示設(shè)置。設(shè)置Report Type為Area-Weighted Average，選擇變量為Total Pressure，選擇Surfaces 為inlet 與outlet 。

20、總壓報(bào)告結(jié)果如圖12所示，可見進(jìn)出口位置總壓是不守恒的. 圖 12 報(bào)告結(jié)果下面觀察進(jìn)出口流量。選擇圖13對(duì)話框中的Report Type為Mass Flow Rate。 圖 13 流量報(bào)告從圖12的流量報(bào)告可以看出，使用速度入口，其計(jì)算域內(nèi)流量守恒。沿X 方向以100mm 為間距建立截面，報(bào)告截面流量，如圖14所示。 圖 14 各截面流量從圖中可以看出，任意界面的質(zhì)量流量均保持守恒。5、壓降系統(tǒng)壓降定義為入口靜壓與出口靜壓的差。 圖 15 壓力根據(jù)圖中壓力數(shù)據(jù)可以計(jì)算出系統(tǒng)壓力降4.464+207.794Pa=212.281Pa6、總結(jié)本次采用速度入口配合outflow 出口邊界研究各種壓力

21、關(guān)系，得出以下結(jié)論：（1）FLUENT 軟件計(jì)算出的壓力值為相對(duì)壓力值，絕對(duì)壓力值需要在相對(duì)壓力值的基礎(chǔ)上附加設(shè)置的參考?jí)毫χ?。?）總壓值=靜壓值+動(dòng)壓值（3）系統(tǒng)動(dòng)壓（4）采用速度入口時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)保持流量守恒，總壓值在系統(tǒng)內(nèi)是浮動(dòng)的（5）軸對(duì)稱簡(jiǎn)化的2D 幾何模型，計(jì)算流量時(shí)計(jì)算的是3D 截面上的流量下面利用總壓入口靜壓出口配合研究系統(tǒng)內(nèi)壓力分布上面談了不可壓縮流動(dòng)中速度入口，自由出口邊界組合的計(jì)算模型內(nèi)各種壓力關(guān)系，以下采用相同的模型，不過使用壓力邊界。FLUENT 中壓力邊界包括壓力入口邊界及壓力出口邊界。入口：壓力入口，總壓500Pa出口：壓力出口，靜壓0Pa其他條件保持不變。1、進(jìn)出

22、口流量統(tǒng)計(jì) 圖 1 流量統(tǒng)計(jì)利用Report 中的Flux 進(jìn)行流量統(tǒng)計(jì)，如圖1所示，可以看出，在不可壓縮流動(dòng)中，進(jìn)出口流量是守恒的。2、各種壓力統(tǒng)計(jì)利用Report 中的Surface Integral進(jìn)行壓力統(tǒng)計(jì)，這里取Area-Weighted Average。 圖 2 壓力統(tǒng)計(jì)圖2為各種壓力統(tǒng)計(jì)，從圖中的數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：（1）入口設(shè)置的是總壓，但靜壓不為0，出口設(shè)置的靜壓為0，統(tǒng)計(jì)得出的靜壓與設(shè)置值一致。（2）入口與出口動(dòng)壓基本保持一致，由于流量守恒，所以出口與入口平均速度保持一致，它們的細(xì)微差別在于出口位置速度分布不一致所造成，近似可認(rèn)為它們一致。（3）入口總壓統(tǒng)計(jì)值為500Pa ，與輸入值保持一致