FLUENT的边界条件优化方法

在讲述FLUENT的边界条件前，先要明确以下3个概念。

（1）流体域

流体域是一系列单元的集合，需要选择流体材料，在其上求解所有激活的方程。对多组分或多相流，流体域包含这些相的混合物。

输入的选择项包括多孔介质域（Porous Zone）、层流域（Laminar Zone）、源项（Source Terms）、固定值域（Fixed Values）、辐射域（Participates In Radiation）。流体域可输入的选择项如图2-72所示。

（2）多孔介质

多孔介质是一种特殊的流体域。可在Fluid面板中激活多孔介质域，通过用户输入的集总阻力系数来确定流动方向的压降。“多孔介质设置”对话框如图2-73所示。

图2-72 流体域可输入的选择项

图2-73 “多孔介质设置”对话框

多孔介质可用来模拟通过多孔介质的流动，或者流过其他均匀阻力的物体，如堆积床、过滤纸、多孔板、流量分配器和管束等。一般设置方法为：输入各方向的粘性系数和惯性阻力系数。

（3）固体域

固体域是一组只求解导热问题，而不求解流动方程的单元集合。设置时，只需从材料库中输入对应名称的材料即可。选择项“SourceTerms”允许输入体积热源，如图2-74所示。注意，如果临近固体域的单元是旋转周期边界，则需要指定旋转轴。

图2-74 “固体域设置”对话框

FLUENT的边界条件包括：

1）流动进、出口边界条件。

2）壁面、轴对称和周期性边界。

3）Internal cell zones：fluid，solid（porous is a type of fluid zone）。

4）Internal face boundaries：fan，radiator，porous jump，wall，interior。

1.流动进口、出口边界条件的种类

FLUENT提供了10种类型的流动进、出口条件，它们分别是：

1）速度进口条件：给出进口速度及需要计算的所有标量值，如图2-75所示。

指定速度，需要输入的参数包括速度大小，垂直入口；方向分量；大小和方向。

指定入口均匀速度分布。如用UDF或者分布文件，可以指定分布入口条件。

速度入口用于不可压流动，不建议用于压缩流。

速度大小是负值，则意味着出口。

图2-75 速度进口条件

2）压力进口条件：给出进口的总压和其他需要计算的标量进口值，如图2-76所示。

压力入口适用于压缩和不可压缩流。

压力入口被处理为从滞止点到入口的无损失过渡。

FLUENT计算静压和入口的速度。

通过边界的流量随内部求解和指定的流动方向而改变。

需要输入的参数包括表总压、超音速/初始表压、入口流动方向、湍流量（对于湍流情况）和总温（如果有传热和/或压缩）。

图2-76 压力进口条件

3）流量进口条件：主要用于可压缩流动，给出进口的质量流量，如图2-77所示。对于不可压缩流动，由于密度是常数，所以没有必要采用该边界条件。

需要输入的参数包括质量流量或流率、超音速/初始表压（如果当地为超音速，取静压，如果是亚音速，忽略此项；如果初场由此边界设定，就用于初场计算）和总温（在Thermal面板上，对不可压缩流取静温）。

4）压力出口条件：给定流动出口的静压，如图2-78所示。对于有回流的出口，该边界条件比outflow边界条件更容易收敛。

适用于压缩和不可压流动。

如果流动在出口是超音速的，指定的压力被忽略。

在外流或非封闭区域流动，作为自由边界条件。

要求输入的参数包括表压（流体流入环境的静压）和回流量（当有回流发生时，起到进口的作用）。

对理想气体（可压缩）流动，可以使用无反射出口边界条件。

图2-77 流量进口条件

图2-78 压力出口条件

5）压力远场条件：该边界条件只对可压缩流动适合，用来模拟无穷远处的可压缩自由流，输入静压和自由流马赫数；只有用理想气体计算时可以使用压力远场条件。

6）outflow条件：该边界条件用以模拟在求解问题之前，无法知道出口速度或者压力；出口流动符合完全发展条件，除压力外，出口处其他参量梯度为零的不可压缩流动如图2-79所示。该边界条件不适合可压缩流动。

不需要压力或速度信息，出口平面的数据由内部数据外插得到，边界上加入质量流量平衡。

所有变量的法向梯度为零，流体在边界为充分发展。

outflow条件针对不可压缩流动，不能和压力进口同时使用（必须和速度进口一起使用），不能用于变密度的非稳态流动。

有回流时收敛性很差。

最终解如有回流，就不能使用此条件。

图2-79 outflow条件

7）inlet vent条件：进口风扇条件需要给定一个损失系数、流动方向、环境总压和总温。

8）intake fan条件：进口风扇条件需要给定压降、流动方向、环境总压和总温。

9）outlet vent条件：排出风扇给定损失系数、环境静压和静温。

10）exhaust fan条件：排出风扇给定压降和环境静压。

11）壁面边界条件：黏性流动中，壁面采用无滑移边界条件，可以指定剪切应力；热边界条件，对于一维或薄壳导热计算，可以指定壁面材料和厚度；对于湍流，可以指定壁面粗糙度；壁面也可以设置平移或旋转速度。

12）对称面和轴：当流场和几何都是对称时，可以只分析一半区域，其对称面法向速度为零，对称面所有变量法向梯度为零。

2.压力进口边界条件介绍

压力进口边界条件通常用于给出流体进口的压力和流动的其他标量参数，对计算可压和不可压问题都适合。压力进口边界条件通常用于进口流率或流动速度未知时的流动分析，这类流动在工程中较常见，如浮力驱动的流动问题等。压力进口条件还可以用于处理外部或非受限流动的自由边界。

压力进口条件需要输入的参数有总压、总温、流动方向、静压、湍流量（用于湍流计算）、辐射参数（考虑辐射）、化学组分质量分数（考虑化学组分）、混合分数及其方差（用PDF燃烧模型）、progress variable（预混燃烧计算）、离散相边界条件（稀疏相计算）及第二相体积分数（多相计算）等。(www.xing528.com)

对于不可压缩流动：

式中 p_total——全压，单位为Pa；

p_static——静压，单位为Pa；

ρ——气流密度，单位为kg/m³；

v——气流速度，单位为m/s。

对于可压缩流动：

式中 k——比热比；

M——气流马赫数。

流场中的压力p′_s包括了势压ρ₀gx，即p′_s=ρ₀gx+p_s，或。把（ρ−ρ₀）g在体积力源项中考虑，如果密度没有变化，则在压力计算中不需要考虑势压。我们输入的压力也不需要考虑势压。

3.速度进口边界条件介绍

给定进口的速度及其他相关标量值。该边界条件适用于不可压缩流动问题，但对可压缩问题不适合，因为该进口条件会使进口的总温或总压有一定范围的波动。

输入量包括速度大小、方向或各速度分量；周向速度（轴对称有旋流动）和静温（考虑能量）等，如图2-80所示。

图2-80 速度进口边界条件

4.质量流量进口边界条件介绍

质量流量进口边界条件给定进口的质量流量。局部进口总压是变化的，用以调节速度，从而达到给定的流量，这使得计算的收敛速度变慢。所以，如果压力边界条件和质量边界条件都适合流动时，优先选择用压力进口条件。对于不可压缩流动，由于密度是常数，所以可以选用速度进口边界条件。

质量进口条件包括两种：质量流率和质量通量。质量流率是单位时间内通过进口总面积的质量。质量通量是单位时间单位面积内通过进口的质量。如果是二维轴对称问题，质量流率是单位时间内通过2π弧度的质量，而质量通量是单位时间内通过一弧度的质量。

5.进口通风边界条件介绍

给定进口损失系数、流动方向、进口环境压力及温度。

对于进口通风模型，假定进口风扇无限薄，通风压降正比于流体动压头和用户提供的损失系数。假定ρ是流体密度，K_L是无量纲损失系数，则流动方向上的压降∆p为

式中 v——与通风方向垂直的速度分量，单位为m/s。

6.进口风扇边界条件介绍

给定压力阶跃、流动方向、环境（进口）压力和温度。假定进口风扇无限薄，并且有不连续的压力升高，压力升高量是通过风扇速度的函数。如果是反向流动，风扇可以看成是通风出口，并且损失系数为1。

压力阶跃可以是常数，或者是流动方向垂直方向上速度分量的函数形式。

7.压力出口边界条件介绍

压力出口边界条件给定出口的静压（表压）。该边界条件只能用于模拟亚音速流动。如果当地速度已经超过音速，则该压力在计算过程中就不采用了。压力根据内部流动计算结果给定，其他量都是根据内部流动外推出边界条件。该边界条件可以处理出口有回流问题，合理的给定出口回流条件，有利于解决有回流出口问题的收敛困难问题。

出口回流条件需要给定：回流总温（如果有能量方程），湍流参数（湍流计算），回流组分质量分数（有限速率模型模拟组分输运），混合物质量分数及其方差（PDF计算燃烧）。如果有回流出现，给的表压将视为总压，所以不必给出回流压力。回流的流动方向与出口边界垂直。

在出口压力边界条件给定中，需要给定出口静压（表压）。当然，该压力只用于亚音速计算。如果局部变成超音速，则根据前面来流条件外推出口边界条件。需要特别指出的是，这里的压力是相对于前面给定的工作压力。

FLUENT给出了径向平衡出口边界条件供大家选择（适用于三维和轴对称有旋流动）。这时，只有在半径很小的区域使用给定的静压边界条件，其他地方假定径向速度可以忽略而计算得到，压力梯度为

式中 r——径向方向；

v_θ——周向旋转速度，单位为m/s。

即使周向旋转速度为零，该边界条件也可以用。

8.压力远场边界条件介绍

如果已知自由流的静压和马赫数，就可以利用FLUENT提供的压力远场边界条件来模拟该类问题了。该边界条件只适合用理想气体定律计算密度的问题，而不能用于其他问题。为了满足压力远场条件，需要把边界放到我们关心区域足够远的地方。

压力远场边界条件需要给定边界静压、温度及马赫数，可以是亚音速、跨音速或者超音速，并且需要给定流动方向，如果有必要，还必须给定湍流量等参数。

9.自由流出边界条件介绍

如果在求解问题前不知道流出口的压力或者速度，这时可以选择自由流出边界条件。这类边界条件的特点是不需要给定出口条件（除非是计算分离质量流，辐射换热或者包括颗粒稀疏相问题）。出口条件都是通过FLUENT内部计算得到的，但并不是所有问题都适合，如下列情况，就不能用自由流出边界条件：

1）包含压力进口条件。

2）可压缩流动问题。

3）有密度变化的非稳定流动问题（即使是不可压缩流动）。

用流出边界条件时，所有变量在出口处的扩散通量都为零，即出口平面从前面的结果计算得到，并且对上游没有影响。计算时，如果出口截面通道大小没有变化，采用完全发展流动假设流动速度、温度等分布在流动方向上无变化。当然，在径向允许有梯度存在，只是假定在垂直出口面方向上扩散通量为零。

10.出口通风边界条件介绍

出口通风边界条件用于模拟出口通风情况，并给定一个损失系数、环境（出口）压力和温度。出口通风边界条件需要给定如下参数：静压、回流条件、辐射参数、离散相边界条件和损失系数。

出口通风边界条件的压力损失也按式（2-3）计算。

11.排气扇边界条件介绍

排气扇边界条件用于模拟外部排气扇，给定一个压升和环境压力。

通常假定排气扇无限薄，并且流体通过排气扇的压升是流体速度的函数。

12.壁面边界条件介绍

对于粘性流动问题，FLUENT默认设置是壁面无滑移条件，读者可以指定壁面切向速度分量（壁面平移或者旋转运动时），也可以给出壁面切应力，从而模拟壁面滑移。根据当地流动情况，可以计算壁面切应力和与流体换热情况。壁面热边界条件包括固定热通量、固定温度、对流换热系数、外部辐射换热与对流换热等。

对于壁面条件下换热计算边界条件，对流换热系数是根据当地流场计算得到的（湍流水平，温度和速度曲线）。

在粘性流动中，壁面采用无滑移边界条件。可以指定剪切应力和热边界条件等。壁面换热边界条件的设置如图2-81所示。对一维或薄壳导热计算，可以指定壁面材料和厚度。

对湍流可以指定壁面粗糙度，基于局部流场的壁面剪切应力和传热。另外，壁面也可以设置平移或旋转速度。

图2-81 壁面换热边界条件的设置

13.对称边界条件介绍

对称边界条件应用于计算的物理区域，或者流动及传热场是对称的情况。在对称轴或者中间平面上没有对流通量，因此垂直于对称轴或者中间平面的速度分量为零。在对称轴或中间平面上没有扩散通量，即垂直方向上的梯度为零。因此，在对称边界上，垂直边界的速度分量为零，任何量的梯度为零。

计算中不需要给定任何参数，只需要确定合理的对称位置，该边界条件可用于粘性流中的运动边界处理。

14.周期性边界条件介绍

如果我们关心的流动，其几何边界的流动和换热是周期性重复的，则可以采用周期性边界条件。FLUENT提供了两种类型：一种是流体经过周期性重复后没有压降（Cyclic）；另一种有压降（Periodic）。叶轮机械的性能计算采用的单流道模型，就是采用周期性边界条件，以减少全局网格量。

15.内部边界面介绍

内部边界面只在单元的面上定义。一般内部边界面的厚度为零，内部边界面上的变量可以突变。内部边界面用以实现风扇、散热器和多孔突变区域等物理模型。