流动入口和出口：机器装配工艺探析

（1）使用流动边界条件 对于流动的出入口，FLUENT 6.3提供了10种边界单元类型包括压力入口、速度入口、质量流动入口、压力出口、压力远场、质量出口、进气口、进气扇、出气口以及排气扇。

1）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他标量属性。它即可以用于可压流，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，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。

①压力入口边界条件的输入。压力入口边界条件需要输入：驻点总压、驻点总温、流动方向、静压、湍流参数（对于湍流计算）、辐射参数（对于使用P-1模型、DTRM模型或者DO模型的计算）、化学组分质量百分比（对于组分计算）、混合分数和变化（对于PDF燃烧计算）、程序变量（对于预混合燃烧计算）、离散相边界条件（对于离散相的计算）、次要相的体积分数（对于多相计算）。

所有的值都在压力入口（Pressure Inlet）面板中输入，该面板是从边界条件打开的，如图3-46所示。

图3-46 Pressure Inlet面板

②定义流动方向。可以在压力入口明确地定义流动的方向，或者定义流动垂直于边界。如果选择指定方向矢量，既可以设定笛卡儿坐标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。对于使用分离求解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，这取决于求解器面板中的绝对速度公式是否被激活。对于耦合求解器，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：

a）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。

b）如果在第一步中选择垂直于边界，并且是在模拟轴对称涡流，则输入流动适当的切向速度；如果不是模拟涡流就不需要其他的附加输入了。

c）如果第一步中选择指定方向矢量，并且几何外形是三维的，则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儿（x，y，z）坐标，柱坐标（半径，切线和轴），或者局部柱坐标。

●笛卡儿坐标系是基于几何图形所使用的。

●柱坐标在下面的坐标系统的基础上使用轴、角度和切线3个分量。

●当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。

●对于包含多重区域的问题（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。

③定义湍流参数。

④定义辐射参数。

⑤定义组分质量百分比。

⑥定义PDF/混合分数参数。

⑦定义预混合燃烧边界条件。

⑧定义离散相边界条件。

⑨定义多相边界条件。

⑩压力入口边界处的计算程序。FLUENT 6.3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。对于不可压流动是通过入口边界贝努力方程的应用来完成的。对于可压流动，使用的是理想气体的各向同性流动关系式。

⑾压力入口边界处的不可压流动计算。当流动进入压力入口边界时，FLUENT 6.3使用边界条件压力，该压力是作为入口平面p₀的总压输入的。在不可压流动中，入口总压、静压和速度之间关系为p₀=p_s+1/2ρv²。通过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计算流动。

对于不可压流动，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，质量分数应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。

⑿压力入口边界的可压流动计算。对于可压流动，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，关系式如下：

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，式（3-9）中出现了操作压力p_0p，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'0和p's式（3-9）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。对于可压流动，入口平面的密度由理想气体定律来计算，即

其中，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为

2）速度入口边界条件。速度入口边界条件用于定义流动入口边界的速度和标量。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动，如果用于可压流动则会导致非物理结果，这是因为它允许驻点条件浮动。应该注意不要让速度入口靠近固体妨碍物，否则会导致流动入口驻点属性具有太高的非一致性。

对于特定的例子，FLUENT 6.3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。

速度入口边界条件需要输入：速度大小与方向或者速度分量、旋转速度（对于具有二维轴对称问题的涡流）、温度（用于能量计算）、Outflow Gauge Pressure（for calculations with the coupled solvers）、湍流参数（对于湍流计算）、辐射参数（对于P-1模型、DTRM模型或者DO模型的计算）、化学组分质量百分数（对于组分计算）、混合分数和变化（对于PDE燃烧计算）、发展变量（对于预混合燃烧计算）、离散相边界条件（对于离散相计算）、二级相的体积分数（对于多相流计算）。

这些数值都由速度入口（Velocity Inlet）面板中输入，该面板可以从Define→Boundary Condition…中打开，如图3-47所示。

图3-47 Velocity Inlet面板

①定义速度。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（也就是说使用旋转参考坐标系、多重坐标系或者滑动网格），也可以指定相对速度和绝对速度。对于FLUENT 6.3中的涡流轴对称问题，还要指定涡流速度。

定义流入速度的步骤如下：

a）选择指定流动方向的方法是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。

b）如果临近速度入口的单元区域是移动的，则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框的绝对速度。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，则不用查看下拉列表框。

c）如果想要设定速度的大小和方向或者速度分量，而且几何图形是三维的，则下一步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3种。

d）设定适当的速度参数。如果在定义速度的第一步中选择速度大小以及垂直的边界，则需要在流入边界处输入速度矢量的大小。如果模拟二维轴对称涡流，则要输入流向的切向分量。如果在定义速度的第一步中选择速度分量，则需要在流入边界中输入速度矢量的分量。

如果是二维非轴对称问题，或者在第三步中选择笛卡儿坐标系，需要定义流动x，y和（在三维问题中）z 3个分量的大小。

如果是模拟涡流的二维轴对称问题，则需要在速度设定中设定轴向、径向和旋转速度。

如果是第三步中使用柱坐标系，则输入流动方向的径向、轴向和切向的3个分量值以及（可选）旋转角速度。

如果在第三步中选择当地柱坐标系，则输入流动方向的径向、轴向和切向的3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。

注意，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。

如果在第一步中定义的是速度分量，并在模拟轴对称涡流，则可以指定除了涡流速度之外的入口涡流角速度W。相似地，如果在第三步中使用柱坐标或者当地柱坐标系，则可以指定除切向速度之外的入口角速度W。

如果指定W、v_q作为每个单元的Wr，其中r是从起点到单元的距离。如果指定涡流速度和涡流角速度或者切向速度和角速度，则FLUENT 6.3会将v_q和Wr加起来获取每个单元的旋转速度或者切向速度。

②定义温度。在解能量方程时，需要在温度场中的速度入口边界设定流动的静温。

③定义流出标准压力。如果是用一种耦合求解器，则可以为速度入口边界指定流出标准压力。如果流动要在任何表面边界处流出区域，则表面会被处理为压力出口，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软件中得到的速度远场边界相似。

④定义湍流参数。

⑤定义辐射参数。

⑥定义组分质量百分比。

⑦定义PDF/混合分数参数。

⑧定义预混合燃烧边界条件。

⑨定义离散相边界条件。

⑩定义多相边界条件。

⑾速度入口边界的计算程序。FLUENT 6.3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。

⑿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 6.3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、动量流量以及能量和化学组分的流量。

⒀邻近速度入口边界流体单元的质量流速由下式计算。

m&=∫ρv·dA （3-13）

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。

⒁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。例如，已知通过某一流域出口的流速，或者被强加在模型上，这时就需要用这种方法。

注意

这种方法在使用之前必须保证流域内的全部连续性。

在分离求解器中，当流动通过速度入口边界条件流出流场时，FLUENT 6.3在边界条件中使用速度垂直于出口区域的速度分量。它不使用任何输入的其他的边界条件。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。

在耦合求解器中，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。

⒂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（在入口条件中输入的）的函数。

3）质量入口边界条件。该边界条件用于可压流动规定入口的质量流速。为了实现规定的质量流量中所需要的速度，所以要调节当地入口总压。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。例如，一个小的冷却喷流流入主流场并和主流场混合，此时主流的流速主要是由（不同的）压力入口或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，则应该选择压力入口边界条件。

在不可压流动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。

质量入口边界条件需要输入质量流速和质量流量、总温（驻点温度）、静压、流动方向、湍流参数（对于湍流计算）、辐射参数（对于P-1模型、DTRM模型或者DO模型的计算）、化学组分质量百分数（对于组分计算）、混合分数和变化（对于PDE燃烧计算）、发展变量（对于预混合燃烧计算）、离散相边界条件（对于离散相计算）。

这些数值都由质量流动入口（Mass-Flow Inlet）面板输入，该面板可以从Define→Boundary Condition…中打开，如图3-48所示。(www.xing528.com)

图3-48 Mass-Flow Inlet面板

①定义质量流速度和流量。可以输入通过质量入口的质量流速，然后FLUENT 6.3将这个值转换为质量流量，或者直接指定质量流量。如果设定规定的质量流速，则将在内部转换为区域上规定的统一质量流量，这一区域由流速划分。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）。

选择质量流速的方法包括质量流速或者质量流量，如果是质量流速（默认），则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1-radian部分的流速。 如果选择质量流量，则在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。

②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。

③定义静压。如果入口流动是超声速的，或者打算用压力入口边界条件来对解进行初始化，那么必须指定静压（Termed the Supersonic/Initial Gauge Pressure）。

只要流动是亚声速的，FLUENT 6.3会忽略Supersonic/Initial Gauge Pressure，它是由指定的驻点值来计算的。如果打算使用压力入口边界条件来初始化解域，则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（对于可压流动）或者贝努力方程（对于不可压流动）。因此，对于亚声速入口，它是在关于入口马赫数（可压流动）或者入口速度（不可压流动）合理的估计之上设定的。

④定义流动方向。

⑤定义湍流参数。

⑥定义辐射参数。

⑦定义组分质量百分比。

⑧定义PDF/混合分数参数。

⑨定义预混合燃烧边界条件

⑩定义离散相边界条件。

⑾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。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rv（每个单位面积的质量流速）。如果指定总质量流速，则FLUENT 6.3会在内部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，即

如果使用直接质量流量指定选项，则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rv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。

⑿理想气体的质量流边界的流动计算。如果是理想气体，则要用下式计算密度。

p=ρRT （3-15）

如果入口流动是超音速的，则使用的静压设为边界条件静压值。如果是亚音速静压，则从入口表面单元内部推导出来。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。

⒀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，则静温和总温相同。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。速度可用质量入口边界的计算程序计算出来。

⒁质量流边界的流量计算。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。

4）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压。静压值的指定只用于亚声速流动。如果当地流动变为超声速，则不再使用指定压力，此时压力要从内部流动中推导。所有其他的流动属性都从内部推导。

压力出口边界条件需要输入静压、回流条件、总温（驻点温度）、湍流参数（对于湍流计算）、化学组分质量百分数（对于组分计算）、混合分数和变化（对于PDE燃烧计算）、发展变量（对于预混合燃烧计算）、二级相的体积分数（对于多相流计算）、辐射参数（对于P-1模型、DTRM模型或者DO模型的计算）、离散相边界条件（对于离散相计算）。

这些数值都由压力出口（Pressure Outlet）面板输入，该面板可以从Define→Boundary Condition…中打开，如图3-49所示。

图3-49 Pressure Outlet面板

①定义静压。如果在压力出口边界设定静压，则在压力出口面板设定适当的静压压力值。这一值只用于亚声速。如果当地流动变为超声速，则压力要从上游条件推导出来。

需要记住的是，这个静压和在操作条件面板中的操作压力是相关的。FLUENT 6.3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，可打开辐射平衡压力分布。当这一功能被激活时，指定的静压压力只用于边界处的最小半径位置（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，压力梯度由下式计算出来。

式中，r是到旋转轴的距离；v_θ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。

②定义回流条件。与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。

③定义辐射参数。

④定义离散相边界条件。

⑤压力出口边界的计算程序。

在压力出口处，FLUENT 6.3使用出口平面处的流体静压p_s作为边界条件的压力，其他所有的条件从区域内部推导出来。

5）压力远场边界条件。FLUENT 6.3中使用的压力远场条件用于模拟无穷远处的自由流条件，其中自由流马赫数和静态条件被指定了。压力远场边界条件通常被称为典型边界条件，这是因为它使用典型的信息（黎曼不变量）来确定边界处的流动变量。

6）质量出口边界条件。在一个区域使用质量流进口边界条件时，区域的每一个面都会有一个对应的计算得到的速度，这个速度用于计算和结算有关的其他变量。在每一步迭代时，这一速度都要重新计算来维持正确的质量流数值。计算这一速度，要使用质量流量、流动方向、静压和滞止温度。有两种指定质量流量的方法：一是直接指定总流量m&；二是指定质量通量ρv_n（单位面积质量流量）。两者之间的关系为

ρvn=m&/A （3-17）

如果给定质量流量，则可以计算ρv_n，但这时每个面积上的通量都是相等的；如果一个面积的ρv_n给定了，则必须确定ρ以计算垂直壁面的法向速度v_n。前者的确定方法如下。

在理想气体状态下，需要利用静止的温度和压力计算，公式为

P=ρRT （3-18）

如果气体是超音速流动的，则静压是一个边界条件。对于亚音速流动，静压由壁面处单元计算得到。静止温度由边界条件设置的总熵进行计算，公式为

H₀(T₀)=h(T)+1/2v² （3-19）

其中，速度由式（3-17）计算得到；温度可由式（3-18）计算得到，滞止温度由式（3-19）计算得到。

不可压缩流体：静止温度和滞止温度相等，密度是常量或者是温度和质量成分的函数。速度按式（3-17）计算。

7）进气口边界条件。进气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气口。

进气口边界需要输入总压（驻点压力）、总温（驻点温度）、流动方向、静压、湍流参数（对于湍流计算）、辐射参数（对于P-1模型、DTRM模型或者DO模型的计算）、化学组分质量百分数（对于组分计算）、混合分数和变化（对于PDE燃烧计算）、发展变量（对于预混合燃烧计算）、离散相边界条件（对于离散相计算）、二级相的体积分数（对于多相流计算）、损失系数。

这些数值都由进气口（Inlet Vent）面板输入，该面板可以从Define→Boundary Condition…中打开，如图3-50所示。

前11项的设定和压力入口边界条件的设定一样。下面介绍损失系数的设定。

在FLUENT 6.3中的进气口模型中，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，并以经验公式确定所应用的损失系数。也就是说，压降Dp和通过进气口速度的垂直分量的关系为

式中，r是流体密度；k_L为无量纲的损失系数。

图3-50 Inlet Vent面板

注意

Dp是流向压降，因此即使在回流中，进气口都会出现阻力。

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。

8）进气扇边界条件。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（进气口）总压和总温的外部进气扇流动。

进气扇边界需要输入总压（驻点压力）、总温（驻点温度）、流动方向、静压、湍流参数（对于湍流计算）、辐射参数（对于P-1模型、DTRM模型或者DO模型的计算）、化学组分质量百分数（对于组分计算）、混合分数和变化（对于PDE燃烧计算）、发展变量（对于预混合燃烧计算）、离散相边界条件（对于离散相计算）、二级相的体积分数（对于多相流计算）、压力跳跃。

这些数值都由进气扇（Intake Fan）面板输入，该面板可以从Define→Boundary Condition…中打开，如图3-51所示。

前11项的设定和压力入口边界条件的设定一样。

9）出气口边界条件。出气口边界条件用于模拟出气口，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。

10）排气扇边界条件。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。

（2）决定湍流参数 在入口、出口或远场边界流入流域的流动，FLUENT 6.3需要指定输运标量的值。本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。

图3-51 Intake Fan面板

（3）使用轮廓指定湍流参量 在入口处要准确地描述边界层和完全发展的湍流流动，应该通过实验数据和经验公式创建边界轮廓文件来完美地设定湍流量。如果有轮廓的分析描述而不是数据点，也可以用这个分析描述来创建边界轮廓文件，或者创建用户自定义函数来提供入口边界的信息。一旦创建了轮廓函数，就可以使用如下的方法。

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和密度与分子粘性适当结合，FLUENT 6.3为修改后的湍流粘性计算边界值。

k-ε模型：在湍流指定方法下拉菜单中选择K和Epsilon，并在湍流动能（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。

雷诺应力模型：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。