Fluent 边界条件

Fluent 边界条件

1. 进出口边界

FLUENT中的入口和出口边界条件包括：

1.1 速度入口

velocity inlet边界条件用于定义入口边界处流动的速度和标量特性。

1.2 压力入口

pressure inlet边界条件用于定义流动入口的总压和其他标量。压力入口边界条件也可以用来定义外部或者无约束流的自由边界。

压力入口设置界面中：表总压即入口流体总压，超声速/初始表压值即静压值，取出口的平均压力值，该压力值仅用于对流场进行标准初始化时的速度估计，不影响最终的计算结果。

1.3 质量流量入口

mass-flow inlet 边界条件用于可压缩流动，以指定入口处的质量流率（\(Mass \; flow \; rate: kg/s\)）。不可压缩流动中无需使用质量流量入口，因为当密度恒定时，速度入口边界条件将确定质量流量。与压力和速度入口一样，该边界还指定了其他入口标量。

1.4 质量流量出口

mass-flow outlet 边界条件可用于以预设的质量流率或质量通量(\(Mass \; Flux: kg/(m^2 \cdot s)\))分布将流体泵出计算域。当匹配预定的质量流量比匹配流出流的静压更为重要时，通常会使用质量流量出口。

1.5 压力出口

pressure outlet 边界条件用于定义流动出口处的静压（以及回流情况下的其他标量变量）。当迭代过程中出现回流时，使用压力出口边界条件代替outflow条件通常会有更好的收敛速度。

压力出口边界要求指定出口位置处的静压（表压）值，该静压值是相对于操作压力的值。指定的静压值只在出口为亚音速流动时被使用。如果出口发展为局部超音速流动，指定的压力值将不再使用，压力将从内部的流动中推断出来，所有其他的流体变量都是从内部推算出来的。

在求解过程中，如果流体在压力出口边界处反向流动，还规定了一系列的“回流”条件，如果针对回流参数指定合适的值，那么就会减少收敛的困难度。

• Pressure Profile Multiplier：压力曲线倍增参数，压力曲线倍增器允许您指定一个常数因子，用于乘以表压。该功能主要用于通过配置文件或用户自定义函数指定压力出口边界静压分布不均匀的情况。例如，在计算不同质量流量下涡轮机械的效能图时，使用乘数缩放出口配置非常方便。该选项也适用于恒定的压力表压力，只需将其值乘以一个系数即可。在压力出口对话框中启用其他选项时，将统一使用该缩放压力值；例如，启用径向平衡压力（Radial Equilibrium Pressure Distribution，适用于涡轮机械）分布选项后，缩放表压将应用于边界的最小半径位置（相对于旋转轴）。

• 回流方向指定方法：三个选项，边界法向、方向向量（需指定）以及从（靠近出口边界的）邻居单元获得回流方向。

• 平均压力指定：选择该选项时，出口压力不会在压力出口边界上保持恒定，而是允许在边界上变化，同时保持平均边界压力接近指定的静态出口压力。该选项可用于指定为常量或剖面的压力（例如，在具有径向、轴向或径向平衡压力分布的涡轮机械中）。
  平均压力规范有两种实现方式。它们是强平均法和弱平均法。基于密度的求解器和基于压力的求解器都可以使用强平均法。弱平均法只适用于基于密度的求解器。

• 平均压力规格选项不适用于多相流。
• 使用基于密度的求解器时，推荐使用强平均法，默认情况下也是如此。弱平均法主要用于传统模拟。
• 当声波模型之一处于活动状态时，不提供平均压力规格选项，因为压力将根据所选的声波 模型获得。
• 在非稳态模拟中使用 “平均压力规格 ”选项会导致非物理压力反馈，因此不建议使用。

1.6 压力远场

Pressure far-field 边界条件用于模拟无限远处的自由流（无限大的外流场）可压缩流动，指定自由流马赫数和静态条件。此边界类型仅可用于可压缩流动。

1.7 自由出口

outflow 边界条件用于模拟流速和压力细节在求解之前未知的流动出口。此边界类型适用于出口流动接近充分发展条件的问题中，因为outflow边界条件假设除压力外所有流动变量的流向梯度为零。
自由出口模型不能应用在以下情况：

• 包含压力入口边界时，不可用outflow，要使用压力出口来替换；
• 不能用于可压缩流动；
• 不能用于变密度非定常流动，即使流体是不可压缩流体，此时最好使用压力出口。

一般地，采用欧拉多相流和混合多相流模型处理不可压缩问题时，outflow是适用的。然而如果在出口出现回流或者出口处流动不稳定并且未发展充分时，最好使用压力出口。
软件对该边界的处理方法是：

• 所有流动变量的扩散通量为0；
  应用在outflow边界处的零扩散通量意味着边界平面处的值通过计算域内外推得到，并且对上游流动没有任何影响，当outflow边界处的截面积不发生变化时，软件更新边界处的速度和压力是基于完全发展流进行外推的。因此该出口边界只适用于出口为充分发展的流动情况，充分发展流动就是流速剖面或者其他属性参数剖面沿流动方向不发生改变的流动。需要注意的是，在垂直于流动的方向上可能会存在流动梯度，只有垂直于出口平面的方向假设扩散通量为0。

• 整体质量平衡校正。

如图所示为正压送风系统简化的二维平面图，其中位置C表示流出边界位于正压送风系统出口的上游，但位于流动充分发展的风管区域。在该位置，完全符合流出边界条件。

不适定的出流边界：图中的B位置，显示了后台阶尾流中回流再附着点附近的出流边界。这种出流边界条件的选择是不适定的，因为在该点垂直于出口平面的梯度相当大，并且预计会对上游流场产生显著影响。由于出流边界条件忽略了流动中的这些流向梯度，所以B位置不是一个合适的出流边界位置。出口位置应该从再附着点向下游移动。

对于第二个不合适的出流边界位置A，该边界位于存在回流的位置处，这种情况下，求解不会收敛并且结果也不可用。因为如果在该边界处仍存在回流，通过outflow的质量流量就是不确定的或者浮动变化的。除此之外，当流体从边界回流至计算域时，流场的标量参数并未定义，比如回流至计算域的流体问题是未知的。针对outflow，求解器使用计算域内的靠近outflow边界温度作为设定值。因此在设置outflow边界时要多加注意！

注意：请注意，在计算过程中的任何时刻，只要有流体通过出流边界发生回流，即便最终求解结果预期没有流体重新进入计算域，计算的收敛性也可能受到影响。这在湍流模拟中尤为明显 。

在 Ansys Fluent 中，可以使用多个出流边界，并指定通过每个边界的流量分数。在 “出流对话框”，设置 “流量权重” 来表示通过该边界的出流占比。

Flow Rate Weighting-FRW是一个权重因子：

\[流经边界流率占比 = \frac{边界指定FRW}{FRW总和} \]

默认情况下，所有出流边界的 “流量权重” 都设置为 1。如果流量在所有出流边界上平均分配（或者只有一个出流边界），则无需更改默认设置；Ansys Fluent 会自动调整流量分数，使所有出流边界的流量分数相等。因此，如果有两个出流边界，并且希望每个边界流出一半的流量，那么无需进行任何输入。

如果你希望75%的流体从一个边界流出，25%的流体从另一个边界流出，那么你需要明确指定两个流量权重值，即一个边界设为0.75，另一个边界设为0.25 。

如果你将第一个出口的流量权重指定为0.75，而第二个出口保持默认的流量权重（1.0），那么通过每个边界的流量占比将如下：
边界1：\(\frac{0.75}{0.75 + 1.0} = 0.429\)，即42.9%
边界2：\(\frac{1.0}{0.75 + 1.0} = 0.571\)，即57.1%

1.8 有遮挡的入口

Inlet vent 边界条件用于模拟具有指定损失系数、流向和环境（入口）总压及温度的入口。

1.9 进气扇

Intake fan边界条件用于模拟具有指定压力阶跃、流向和环境（进气）总压力和温度的外部进气风扇。

1.10 有遮挡的出口

Outlet vent 边界条件用于模拟具有指定损失系数和环境（排放）静压和温度的出口。

1.11 排气扇

Exhaust fan边界条件用于模拟具有指定压力阶跃和环境（排放）静压的外部排气扇。

1.12 Degassing

Degassing边界条件用于模拟允许分散的气泡通过自由表面逸出，但不允许连续液相逸出的边界。一个典型的应用程序是鼓泡塔。degassing边界条件仅适用于使用Eulerian多相流模型的气液两相流。

其中适用于可压缩问题的边界有：压力入口、压力出口以及压力远场，质量入口和质量出口。可压缩问题就是气流速度快、压力变化大的流动问题。

2. Wall 边界条件

2.1. 壁面剪切条件

主要可分为滑移边界和无滑移边界：

滑移边界：切向无剪切力且法向速度分量为零，切向速度分量不为零，即无穿透条件，无流量通过壁面。

无滑移边界：简单理解就是在壁面移动时，表示流体黏附在壁面并且跟随壁面以相同的速度运动，若壁面静止，就会在避免附近产生很大的速度梯度。流固边界处速度法向和切向速度分量均为零，无滑移边界适合粘性流体，此时考虑紧贴壁面的流体与壁面无相对运动。

软件默认选择无滑移边界，还有另外四个选项：

• specified shear —— 指定坐标方向上的剪切应力分量，流体对壁面的剪切。

• specularity coefficient —— （壁面）镜面反射系数。适用于多相颗粒流动，如果该值指定为0，就等同于壁面0剪切力。不适用于移动的壁面

• Marangoni stress —— Marangoni 应力需要在壁面上指定表面张力对壁面温度的梯度，此时能量方程需要开启。

  壁面剪切力 \(\tau\) 记为\(\tau = \frac{d \sigma}{d T} \nabla_s T\)，表面张力对温度的梯度、表面温度梯度之间的乘积。

在剪切应力已知时（而不是流体的运动情况），specified shear 和 Marangoni stress 设置此时是适用的。此类情况的例子包括施加剪切应力、滑移壁面（零剪切应力）和自由表面情形（零剪切应力或依赖于表面张力梯度的剪切应力）

2.2. 开启能量方程后，指定的热边界条件

• 固定热流

  对于固定热流密度工况，选择"热工况下的热流密度"选项。然后就需要在热流场中为壁面处的热流密度设置合适的值。可以通过设置零热流条件来定义绝热壁面。这是所有wall的默认条件。

  使用该边界条件时，需要给壁面指定热流值，此时壁面的温度由式(1)得到：

\[T_w = \frac{q-q_{rad}}{h_f} + T_f \tag{1} \]

当为固体壁面边界时，壁面温度通过下是进行计算：

\[T_w = \frac{(q - q_{rad}) \Delta n}{k_s} + T_s \tag{2} \]

• 固定温度

  选择固定温度条件，选择Wall对话框中的Thermal下的Temperature选项。你将需要指定壁面处的温度 (温度)，此时壁面温度在计算的过程中是保持不变的——等温壁面。

  使用该边界条件时，热流将会使用下面的公式计算流场单元的热流：

  \[q = h_f(T_w - T_f) + q_{rad} \tag{3} \]

  式中：\(h_f\) = 流体侧当地热换系数，该系数是基于当地流场条件（湍流度、温度以及速度）来计算的；\(T_w\) = 壁面温度；\(T_f\) = 当地流场温度；\(q_{rad}\) = 辐射热通量。

  从固体单元到壁面边界的热传递通过下式计算：

  \[q = \frac{k_s}{\Delta n}(T_w - T_s) + q_{rad} \tag{4} \]

  式中：\(k_s\) = 固体热导率(Thermal Conductivity)； \(T_s\) = 当地固体温度；\(\Delta n\) = 固体单元到壁面之间的距离。

• 对流换热

  对于对流换热壁面边界，选择热工况下的对流换热。对流换热系数和自由来流温度的输入。

  当指定壁面处为对流换热系数边界条件时，Ansys Fluent使用外部换热系数和外部热沉温度的输入来计算对壁面的热流密度：

  \[q = h_f(T_w - T_f) + q_{rad} = h_{ext}(T_{ext} - T_w) \tag{5} \]

  式中：\(h_{ext}\) = 外部热交换系数（需要指定）；\(T_{ext}\) = 外部热沉温度（需要指定）；\(q_{rad}\) = 辐射热通量。该式假设壁面零厚度

• 外部辐射换热
  如果感兴趣的是模型外部的辐射传热，可以在"Wall"对话框中启用"辐射"选项，并设置"外部发射率"和"外部辐射"温度。壁面热流计算通过下式：

\[\begin{aligned} q &= h_f(T_w - T_f) + q_{rad} \\ &= \varepsilon_{ext} \sigma \left( T_{\infty }^4 - T_w^4 \right) \tag{6} \end{aligned} \]

式中：\(\varepsilon_{ext}\) = 外壁面的表面发射率；\(\sigma\) = 斯蒂芬-波尔兹曼常数；\(T_{\infty}\) = 域外部辐射源或热沉的温度；\(q_{rad}\) = 从域内传到壁面的辐射热通量。

• 复合外辐射和对流换热

  通过选择Mixed选项，可以选择一个结合了对流和辐射边界条件的热边界条件。有了这个热条件，就需要设置换热系数，自由流温度，外部发射率和外部辐射温度。

  结合式(5)和式(6),该式假设壁面零厚度：

\[\begin{aligned} q &= h_f(T_w - T_f) + q_{rad} \\ &= h_{ext}(T_{ext} - T_w) + \varepsilon_{ext} \sigma \left( T_{\infty }^4 - T_w^4 \right) \end{aligned} \tag{7} \]

• 在 Workbench 中利用 System Coupling 实现热数据在另一个系统之间的传递

• 映射交界面热耦合

如果壁面区域是"two-sided wall" (在两个区域之间形成interface的壁面,如共轭传热问题的流体/固体界面)，这些热条件的子集将是可用的，但你也可以选择wall的两侧是否"耦合"。详情见下文。
下面对每类热工况的输入进行说明。如果壁面具有非零厚度，还应该设置参数，用于计算薄壁热阻和wall中产生的热量。

可以在模型的边界壁面和内部(即 two-sided )壁面内建模传导。这种类型的热传导，称为Shell热传导，可以更方便地在壁厚相对于整体几何形状(例如,汽车发动机舱中的翅片式换热器或钣金件)较小的壁面上进行热传导建模。用固体单元网格划分这些壁面将导致高深宽比的网格和单元总数的显著增加。

如下图在流体与固体交界面处的wall，选择耦合意味着软件可以自动计算固体与流体之间的热交换，适用于模拟固体与流体之间的热耦合问题