ADINA-CFD经典实例：Gap边界设置

ADINA软件中的Gap边界用于控制两个流体区域间的连通与闭合，可以模拟流场域中的开关、阀门等结构。关于Gap边界应用实例的详细介绍，请参见本书第9.2节“阀门流固耦合分析”和《ADINA流体和流固耦合功能的高级应用》第9章的实例9和实例14。

ADINA软件只允许对二维模型内部的线或三维模型内部的面施加Gap边界条件。使用Gap边界时可能需要对流场作特殊处理：真实情况是流场在闭合后，两个流场区域不连通，阀门结构的间隙为0。但在ADINA软件中，设计流场域时不能让该间隙为0。否则流场将无法连通，在流场中可以预留出一个很小的间隙来描述该间隙的线或面是Gap边界施加的几何区域。以二维模型为例（如图4-44所示），A、B为流场域，二者的公共边界可以作为Gap边界条件。实际分析表明：这种小间隙的存在并不影响计算结果的准确性。

Gap的状态将随两个区域连接或不连接的变化而变化。当两个区域连接在一起时（Gap状态为开启），流体可以流过界面，此时流体变量在界面上连续。当两个区域没有连接在一起时（Gap状态为关闭），流体不能流过界面，此时对两侧的流体区域而言，流体方程中的Gap边界条件相当于无滑移边界条件，对于热方程相当于热通量为零。因此这种情况下的解通常不连续（速度为零且连续）。

图4-45是Gap条件的一个典型应用，放大的图中给出当Gap开启或关闭时单元的连接情况。当Gap关闭时，流场不连接，表示两个流体区域不连接。为了实现这种计算功能，ADINA软件会在原始节点的相同位置再自动生成一些节点（图中显示的节点稍微分开，目的只是为了表明不连接）。当Gap开启时，后来生成节点上解的值等于对应原始节点上的值，这样将得到连续解。

图4-44 Gap边界条件

ADINA软件可以通过3个物理条件来控制Gap的开启或关闭状态，即：Gap的大小、时间和平均压力差，分别介绍如下：

1）Gap的状态可以由Gap的大小G^[1]来控制。如果Gap初始时关闭，当G＞给定值G_open时才会开启；相反；如果Gap初始时开启，当G＜给定值G_close时才会关闭。对于二维区域，大小指的是边界线的长度；对于三维区域，大小指的是边界面的面积。因此，这种类型的Gap条件通常与移动网格边界条件一起使用。

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图4-45 Gap的开启与关闭

2）Gap的状态可以由时间函数G来控制。如果Gap初始时关闭，当时间函数值超过给定值G_open时才会开启；相反；如果Gap初始时开启，当时间函数值小于给定值G_close时才会关闭。这种类型的Gap条件通常用于Gap开启闭合的时间规律已知的情况。

图4-46 设定Gap的开启值与关闭值

3）Gap的状态可以由平均压力差G=p_u-p_d控制，其中，p_u和p_d分别表示Gap上游和下游的压力。如果Gap初始时关闭，当压力差超过给定值G_open时才会开启，但是，Gap一旦开启就不会关闭，因为在后边的求解时间内压力差始终为零。

设定Gap边界条件时，为了避免改变Gap状态引起的数值震荡，开启值G_open要比关闭值G_close稍大一些，如图4-46所示。

求解包含Gap边界的问题时，时间步长应该足够小（这个问题需要读者测试，有的例题的时间步长只有小于1e-5才能正常计算）。在Gap开关的瞬间，流场状态变化非常大，因此需要使用小步长来保证计算收敛。