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CFD软件介绍/培训边界条件的设定

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计算传热学—CFD软件介绍/培训 边界条件的设定
  南京航空航天大学  能源与动力学院     2003.5


边界条件——Why and What
为了获得物理问题(各种微分方程)的唯一解,必须对计算域边界设定各种参数值.
如各种通量(热通量、质量通量)、运动状况等.
边界条件内容:
定义边界条件的位置信息 (如进口、固体壁面、对称位置面)
确定边界上的各种参数信息
边界条件的具体内容和计算中采用的物理模型、边界条件的类型密切相关.
必须仔细确定边界条件的参数
直接影响了求解过程和所得到的结果.

分析流程
1. 来流条件
均匀性
非预混模型
考虑混合效果

2. 喷嘴进口
非预混模型
参数要求高

3. 喷嘴出口
预混模型
参数要求高

基本原则
设定在流体的进、出口
可以有利于收敛.

在垂直于边界上不应该
    存在很大的参数梯度.
导致不同的结果.

减小边界附近的网格
     扭曲度.
导致计算早期误差过大.

基本的边界类型
外部面
一般:  Pressure inlet, Pressure outlet
不可压:  Velocity inlet, Outflow
可压:  Mass flow inlet, Pressure far-field
特殊:  Inlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fan
其它:  Wall, Symmetry, Periodic, Axis

单元、区域
Fluid and Solid

相交面
Fan, Interior, Porous Jump,
     Radiator, Walls

边界条件的定义——Solver
选择求解器


正对求解器选择不同的边界条件定义器

边界条件的定义——Specify Type
选择边界对应的几何体
默认值:面

选择边界的类型.
鼠标直接选取.

对定义好的边界可以再操作
更改、删除.

边界条件的定义——Define
在Fluent中定义边界条件的具体值
各种边界条件的参数
可以重新定义边界类型

重新定义边界条件
一般边界条件在预处理软件中定义.

可以在Fluent中更改:
Define ? Boundary Conditions...
选择要更改的几何体

从Type中选择新的类型.


给定边界条件参数
在 BC panels中直接赋值.
给选定的边界设定:
从Zone菜单中选择边界.
点击Set按钮
利用Copy按钮可以复制边界条件.

边界条件的内容可以存盘,
      也可以读入.
file ? write-bc and file ? read

利用 UDFs and Profiles可以
      定义复杂的边界条件

Velocity Inlet
定义类型:
Magnitude, Normal to Boundary
Components
Magnitude and Direction

默认值为均匀流动

适用于 incompressible flows.
Static pressure 相应分布.
Total pressure 同样
用于 compressible flows 将有可能导致非物理解.

速度设定为负值时,可以用来表示出口.
但是必须要保证流量平衡.

Pressure Inlet
参数确定:
Total Gauge Pressure
驱使流体运动的能量.

Static Gauge Pressure
超音速流动时静压;
亚音速时忽略
从该边界初始化时有用

Total Temperature
对于不可压流作为静温.

Inlet Flow Direction
注意的是 Gauge pressure 必须给定.

Operating pressure 定义:  Define ? Operating Conditions

同时适用 compressible 和 incompressible flows.
Fluent 计算时采用 static pressure and velocity
通过压力面的通量由内部条件和流动方向决定.

可以被用作模拟“Free”面.


Mass Flow Inlet
参数确定:
(a) Mass Flow Rate or (b) Mass Flux
(a) 给定恒定的流量
(b) 利用 profiles/UDF定义
Static Gauge Pressure
超音速有效
该边界初始化有效.
Total Temperature
对于不可压流动为静温.
Inlet Flow Direction

一般用于 compressible; 也可用于 incompressible flows.
Total pressure 由输入变量求得.
和 pressure inlet相比.收敛性差

Pressure Outlet
给定 static gauge pressure
作为出口处的环境压力.
可以定义径向的压力分布.

Backflow
收敛过程出现
最终结果如此.
方向是垂直于边界.

适用于 compressible 和 incompressible flows
在超音速条件下,忽略所给定的压力值.

可以被用来模拟自由流.

Outflow
不需指定任何速度和压力信息.
由内部区域来传递信息.
边界上保持流量平衡.

在Outflow面上所有参数梯度为零
近似于充分发展流

适用于 incompressible flows.
不能和 Pressure Inlet合用; 入口只能是 velocity inlet.
不能用来模拟密度随时间变化的问题.

当存在回流时,很难收敛
不能模拟最终结果存在回流的物理问题.

其它的边界条件
Pressure Far Field
模拟 ideal gas law下的流动.
通常给定 free-stream Mach number 和静态参数 .

Exhaust Fan/Outlet Vent
给定压力损失系数(压力降)以及环境参数

Inlet Vent/Intake Fan
模拟风扇运动.
给定压力损失系数(压力降)以及环境参数

Wall Boundaries

速度:无滑移
切向速度和固壁面速度相等.
法向速度为零
可以定义壁面剪切力.

热边界:
几种不同的条件
包括定义壁面厚度.

定义运动的壁面.

Symmetry and Axis Boundaries
Symmetry Boundary
简化计算量.
不需任何参数.
计算域和几何形状必须对称:
对称面上法向速度为零
所有的变量法向梯度为零


Axis Boundary
模拟二维轴对称问题.
不需任何参数.


Periodic Boundaries
减小计算量.

计算域为周期性运动区域.

周期性旋转:
周期面上?p = 0.

周期性平动:
在周期面上允许有限的?p .
模拟充分发展流.
在Gambit中预先
    定义为 translational.

区域定义: Fluid
Fluid zone = 求解的流体计算域.
确定Fluid material.

确定各种源项:
质量、运动、能量等
定义为多空介质
定义旋转等周期性运动.
定义各种运动方式.

Porous Media
按照流体区域处理.
选择 Porous Zone 项.
给定压降参数

可以模拟多种物理现象
硫化床
过滤器
多孔平面

区域定义: Solid
只求解热平衡方程.
确定固体类型

可以定义内部的热源

也可定义各种形式的运动状态.

热设计资料下载:  CFD软件边界条件的设定.pdf

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