計算傳熱學—CFD軟件介紹/培訓 邊界條件的設定
  南京航空航天大學  能源與動力學院     2003.5

邊界條件——Why and What
為了獲得物理問題（各種微分方程）的唯一解，必須對計算域邊界設定各種參數值.
如各種通量（熱通量、質量通量）、運動狀況等.
邊界條件內容:
定義邊界條件的位置信息 (如進口、固體壁面、對稱位置面)
確定邊界上的各種參數信息
邊界條件的具體內容和計算中采用的物理模型、邊界條件的類型密切相關.
必須仔細確定邊界條件的參數
直接影響了求解過程和所得到的結果.

分析流程
1. 來流條件
均勻性
非預混模型
考慮混合效果

2. 噴嘴進口
非預混模型
參數要求高

3. 噴嘴出口
預混模型
參數要求高

基本原則
設定在流體的進、出口
可以有利于收斂.

在垂直于邊界上不應該
    存在很大的參數梯度.
導致不同的結果.

減小邊界附近的網格
     扭曲度.
導致計算早期誤差過大.

基本的邊界類型
外部面
一般:  Pressure inlet, Pressure outlet
不可壓:  Velocity inlet, Outflow
可壓:  Mass flow inlet, Pressure far-field
特殊:  Inlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fan
其它:  Wall, Symmetry, Periodic, Axis

單元、區域
Fluid and Solid

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

邊界條件的定義——Solver
選擇求解器

正對求解器選擇不同的邊界條件定義器

邊界條件的定義——Specify Type
選擇邊界對應的幾何體
默認值：面

選擇邊界的類型.
鼠標直接選取.

對定義好的邊界可以再操作
更改、刪除.

邊界條件的定義——Define
在Fluent中定義邊界條件的具體值
各種邊界條件的參數
可以重新定義邊界類型

重新定義邊界條件
一般邊界條件在預處理軟件中定義.

可以在Fluent中更改:
Define ? Boundary Conditions...
選擇要更改的幾何體

從Type中選擇新的類型.

給定邊界條件參數
在 BC panels中直接賦值.
給選定的邊界設定:
從Zone菜單中選擇邊界.
點擊Set按鈕
利用Copy按鈕可以復制邊界條件.

邊界條件的內容可以存盤，
      也可以讀入.
file ? write-bc and file ? read

利用 UDFs and Profiles可以
      定義復雜的邊界條件

Velocity Inlet
定義類型:
Magnitude, Normal to Boundary
Components
Magnitude and Direction

默認值為均勻流動

適用于 incompressible flows.
Static pressure 相應分布.
Total pressure 同樣
用于 compressible flows 將有可能導致非物理解.

速度設定為負值時，可以用來表示出口.
但是必須要保證流量平衡.

Pressure Inlet
參數確定:
Total Gauge Pressure
驅使流體運動的能量.

Static Gauge Pressure
超音速流動時靜壓;
亞音速時忽略
從該邊界初始化時有用

Total Temperature
對于不可壓流作為靜溫.

Inlet Flow Direction
注意的是 Gauge pressure 必須給定.

Operating pressure 定義:  Define ? Operating Conditions

同時適用 compressible 和 incompressible flows.
Fluent 計算時采用 static pressure and velocity
通過壓力面的通量由內部條件和流動方向決定.

可以被用作模擬“Free”面.

Mass Flow Inlet
參數確定:
(a) Mass Flow Rate or (b) Mass Flux
(a) 給定恒定的流量
(b) 利用 profiles/UDF定義
Static Gauge Pressure
超音速有效
該邊界初始化有效.
Total Temperature
對于不可壓流動為靜溫.
Inlet Flow Direction

一般用于 compressible; 也可用于 incompressible flows.
Total pressure 由輸入變量求得.
和 pressure inlet相比.收斂性差

Pressure Outlet
給定 static gauge pressure
作為出口處的環境壓力.
可以定義徑向的壓力分布.

Backflow
收斂過程出現
最終結果如此.
方向是垂直于邊界.

適用于 compressible 和 incompressible flows
在超音速條件下，忽略所給定的壓力值.

可以被用來模擬自由流.

Outflow
不需指定任何速度和壓力信息.
由內部區域來傳遞信息.
邊界上保持流量平衡.

在Outflow面上所有參數梯度為零
近似于充分發展流

適用于 incompressible flows.
不能和 Pressure Inlet合用; 入口只能是 velocity inlet.
不能用來模擬密度隨時間變化的問題.

當存在回流時，很難收斂
不能模擬最終結果存在回流的物理問題.

其它的邊界條件
Pressure Far Field
模擬 ideal gas law下的流動.
通常給定 free-stream Mach number 和靜態參數 .

Exhaust Fan/Outlet Vent
給定壓力損失系數（壓力降）以及環境參數

Inlet Vent/Intake Fan
模擬風扇運動.
給定壓力損失系數（壓力降）以及環境參數

Wall Boundaries

速度：無滑移
切向速度和固壁面速度相等.
法向速度為零
可以定義壁面剪切力.

熱邊界:
幾種不同的條件
包括定義壁面厚度.

定義運動的壁面.

Symmetry and Axis Boundaries
Symmetry Boundary
簡化計算量.
不需任何參數.
計算域和幾何形狀必須對稱:
對稱面上法向速度為零
所有的變量法向梯度為零

Axis Boundary
模擬二維軸對稱問題.
不需任何參數.

Periodic Boundaries
減小計算量.

計算域為周期性運動區域.

周期性旋轉:
周期面上?p = 0.

周期性平動:
在周期面上允許有限的?p .
模擬充分發展流.
在Gambit中預先
    定義為 translational.

區域定義: Fluid
Fluid zone = 求解的流體計算域.
確定Fluid material.

確定各種源項:
質量、運動、能量等
定義為多空介質
定義旋轉等周期性運動.
定義各種運動方式.

Porous Media
按照流體區域處理.
選擇 Porous Zone 項.
給定壓降參數

可以模擬多種物理現象
硫化床
過濾器
多孔平面

區域定義: Solid
只求解熱平衡方程.
確定固體類型

可以定義內部的熱源

也可定義各種形式的運動狀態.

熱設計資料下載：  CFD軟件邊界條件的設定.pdf

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