第四节、CFD分析基础-边界条件和湍流
第四节、CFD分析基础-边界条件和湍流
outflow condition not obeyed
outflow condition obeyed
outflow condition closely obeyed
模拟多出口条件
应用Outflow 边界条件:
默认条件下，质量流平均分配. 默认条件下流量权重 (FRW) 设为1. 对于不均匀的流动分布:
轴对称条件
主要用于:
中心轴对称网格 3D O-type grid
设定:
不需另外设定参数
AXIS boundary
单元域: 流体
流体域 = 需求解的各单元组合. 流体参数输入.
组份，相.
mass, momentum, energy, etc.
允许设置源项:
定义为层流 可以定义为多孔渗流. 设定旋转周期流动的旋转轴. 定义流域的运动.
u i 0 xi
ui ' ' ui u j x j
流体机械 结构创新设计技术
——边界条件和湍流简介
1、边界条件
概 况
入口和出口边界条件
速度边界
速度分布图表 湍流参数
压力边界和其它
壁面, 对称, 周期 和 轴对称边界 内流域
流体
多孔介质 移动区域
固体
内部面单元
概 况
边界条件:
直接描述边界上的流动情况. 求解数学方程所必须. 如，质量、动量和能量
固体域 = 需求解热传导问题的固体单元组 合.
ANSYS Flotran分析指南
No Boundaries ANSYS/FLOTRAN分析指南目录第一章FLOTRAN计算流体动力学(CFD)分析概述 1 第二章FLOTRAN分析基础 3第三章 FLOTRAN设置命令14 第四章 FLOTRAN边界条件59 第五章 FLOTRAN层流和湍流分析算例65第一章 FLOTRAN 计算流体动力学(CFD)分析概述FLOTRAN CFD 分析的概念ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进的工具，使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID 142 单元，可解决如下问题：•作用于气动翼(叶)型上的升力和阻力•超音速喷管中的流场•弯管中流体的复杂的三维流动同时，FLOTRAN还具有如下功能：•计算发动机排气系统中气体的压力及温度分布•研究管路系统中热的层化及分离•使用混合流研究来估计热冲击的可能性•用自然对流分析来估计电子封装芯片的热性能•对含有多种流体的(由固体隔开)热交换器进行研究FLOTRAN 分析的种类FLOTRAN可执行如下分析：•层流或紊流•传热或绝热•可压缩或不可压缩•牛顿流或非牛顿流•多组份传输这些分析类型并不相互排斥，例如，一个层流分析可以是传热的或者是绝热的，一个紊流分析可以是可压缩的或者是不可压缩的。
层流分析层流中的速度场都是平滑而有序的，高粘性流体（如石油等）的低速流动就通常是层流。
紊流分析紊流分析用于处理那些由于流速足够高和粘性足够低从而引起紊流波动的流体流动情况，ANSYS中的二方程紊流模型可计及在平均流动下的紊流速度波动的影响。
如果流体的密度在流动过程中保持不变或者当流体压缩时只消耗很少的能量，该流体就可认为是不可压缩的，不可压缩流的温度方程将忽略流体动能的变化和粘性耗散。
热分析流体分析中通常还会求解流场中的温度分布情况。
如果流体性质不随温度而变，就可不解温度方程。
在共轭传热问题中，要在同时包含流体区域和非流体区域（即固体区域）的整个区域上求解温度方程。
流体动力学(CFD)分析.
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Intro-12
层流分析
T-2. FLOTRAN 分析的种类
Objective
层流中的速度场都是平滑而有序的，高粘性流体（如石油等）的低 速流动就通常是层流。
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Intro-13
紊流分析
T-2. FLOTRAN 分析的种类
Objective
紊流分析用于处理那些由于流速足够高和粘性足够低从而引起紊流 波动的流体流动情况，ANSYS中的二方程紊流模型可计及在平均 流动下的紊流速度波动的影响。 如果流体的密度在流动过程中保 持不变或者当流体压缩时只消耗很少的能量，该流体 就可认为是 不可压缩的，不可压缩流的温度方程将忽略流体动能的变化和粘 性耗散。
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Intro-8
第一章
FLOTRAN 计算流体动力 学(CFD)分析概述
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Intro-9
目标
Module Objective
在完成本章学习后，我们应该对流体动力学分析的基本概念 有所了解，并知道它的基本分类。
Lesson Objectives
第一讲、FLOTRAN CFD 分析的概念 第二讲、 FLOTRAN 分析的种类 第三讲、层流分析 第四讲、紊流分析 第五讲、热分析 第六讲、可压缩流分析 第七讲、非牛顿流分析 第八讲、多组份传输分析
六、 FLOTRAN分析过程中应处理的问题
七、对一个FLOTRAN分析进行评价
八、验证结果
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目录
Guidelines
第三章 FLOTRAN设置命令
一、FLOTRAN求解控制命令
二、FLOTRAN执行及输出控制命令 稳态控制参数设置
三、FLOTRAN执行及输出控制命令 瞬态控制参数设置
流体力学中的湍流流动与边界层
流体力学中的湍流流动与边界层流体力学是研究流体运动规律的学科，其中的湍流流动和边界层是流体力学中的重要概念和研究内容。
本文将详细介绍流体力学中的湍流流动和边界层，并探讨它们在实际应用中的重要性。
一、湍流流动湍流是流体力学中流动状态的一种，具有不规则、随机、混沌等特点。
相比于层流流动，湍流流动更为复杂和难以预测，主要体现在流速和压力的不规则变化上。
湍流流动的产生与流体的运动粘滞性、速度梯度和流速等因素有关。
当流体速度达到一定值时，流体内的涡旋和涡核开始发生不断变化与演化，从而形成湍流。
湍流的特点包括涡旋的旋转、涡核的运动、速度的乱流扩散等。
湍流流动在自然界和工程领域中广泛存在。
例如，在大气环流中，气候系统中的飓风和龙卷风就是湍流现象的典型表现。
此外，湍流流动还广泛应用于船舶、飞机、汽车等交通工具的设计和流体动力学的研究中。
二、边界层边界层是流体力学中的一个概念，指的是流体运动中与边界接触的区域。
边界层中的流体速度和压力分布具有明显的变化，可以用来描述流体在壁面附近的流动特性。
边界层主要有两种类型：层流边界层和湍流边界层。
层流边界层是指流体在边界附近以有序的方式流动，流速梯度较小，流体粘性起主导作用。
湍流边界层是指在湍流环境下，流体在边界附近的混乱流动。
边界层的存在对流体运动过程起到了重要作用。
首先，边界层中的摩擦力会对物体表面施加阻力，影响物体的运动。
其次，边界层中的速度分布对流动的稳定性和流体的传热性能产生重要影响。
三、湍流流动与边界层的关系湍流流动与边界层密切相关。
在边界层内，由于速度和压力的不规则变化，往往会导致流动变为湍流。
特别是当流速较大或受到外界扰动时，湍流的发展更加明显。
湍流边界层的存在使得流体在边界附近的运动更为复杂，涡旋和涡核的形成与演化对流动的稳定性和传热传质过程产生了影响。
同时，湍流边界层的存在也为流体的混合和动量交换提供了机会，使得流体的运动更为强烈和混乱。
在实际工程应用中，湍流边界层的研究对于流体动力学分析、流体传热传质等方面具有重要意义。
近地湍流风场的CFD模拟研究
近地湍流风场的CFD模拟研究一、概述近地湍流风场作为大气边界层的重要特征之一，对飞行器的安全起降、风电场的能量捕获效率以及建筑结构的风荷载分析等方面都具有至关重要的影响。
对近地湍流风场的准确模拟和深入研究，不仅有助于提升相关工程领域的设计水平，也是气象学和流体力学等学科领域的重要研究课题。
随着计算机技术的快速发展，计算流体动力学（CFD）作为一种强大的数值模拟工具，已广泛应用于湍流风场的模拟研究中。
通过构建复杂的数学模型和算法，CFD能够模拟出湍流风场的精细结构和动态演变过程，从而为风工程领域的实际应用提供有力的理论支撑。
近地湍流风场的CFD模拟研究仍面临诸多挑战。
湍流本身具有高度的复杂性和不确定性，其生成、发展和传播过程受到多种因素的影响，如地形、地表粗糙度、大气稳定度等。
如何准确地描述和模拟这些影响因素对湍流风场的影响，是CFD模拟研究的关键问题之一。
近地湍流风场的模拟通常需要处理大规模的网格和复杂的边界条件，这对计算资源和算法效率提出了更高的要求。
如何在保证模拟精度的降低计算成本和提高计算效率，也是CFD模拟研究需要解决的重要问题。
随着风工程领域的不断发展，对近地湍流风场模拟的精度和可靠性要求也在不断提高。
不断探索和创新CFD模拟方法和技术，以适应不同应用场景的需求，也是当前和未来研究的重要方向。
近地湍流风场的CFD模拟研究具有重要的理论价值和实际应用意义。
通过深入研究湍流风场的生成机制和演变规律，不断优化和完善模拟方法和技术，将为风工程领域的发展提供有力的支持。
1. 近地湍流风场的研究背景与意义近地湍流风场的研究在现代气象学、风能利用以及环境科学等领域具有举足轻重的地位。
近地面风速受到地表摩擦、地形起伏、建筑物以及其他障碍物等多种因素的影响，呈现出显著的非均匀性和复杂性。
这种复杂性使得近地湍流风场的准确预测和模拟变得尤为困难，但同时也为相关领域的研究和应用提供了广阔的探索空间。
在风能利用方面，近地湍流风场的研究对于提高风能转换效率和风机设计优化具有至关重要的作用。
中科大Fluent教程 第四章,边界条件
计算流体与传热传质
压力出口边界 (2)
对于不可压缩流动: 静压给定边界压力 其它量由流场内计算外推得到. 对于可压流动: 静压计算不考虑当地是否是局部超音速. 所有计算量从计算区域里外推计算. 当进口条பைடு நூலகம்设定为pressure inlet时，出口一定要用pressure outlet.
计算流体与传热传质
压力出口：Pressure Outlet (1)
定义出口处的static (gauge) pressure. 流场流入什么样的压 力环境里. 可以给定压力径向分布. 压力出口处可能会出现回 流: 求解过程或者求解结 果中，都可能如此. 回流方向与出口边界 垂直的方向. 由于回流量具有“弹 性”，求解收敛性能 较好. 回流出现时，用静压 来给回流总压赋值.
计算流体与传热传质
Outflow 边界条件不能使用场合
Outflow 边界不能用于: 可压缩流动. Pressure Inlet 边界条件 : 变密度的非定常流动.
不适合的物理问题: 回流区 流动方向有明显压力梯 度 下游影响上游流动 outflow condition ill-posed outflow condition not obeyed
计算流体与传热传质
Outflow边界
Outflow边界，除了压力之外，其它量的梯度为零。 FLUENT 从流场内外推边界所需的信息. 特别有用的情况: 求解之前，不知道速度和压力的流动问题. 流动出口是，或接近是完全发展的流动. 注: 当求解过程中，或者求解结果具有回流时，用 Pressure Outlet 比用 Outflow出口条件更具有收敛优势.
CFD分析基础-边界条件和湍流
设置边界条件
各区域在前处理过程中划分完成 为特定的域设置边界条件:
Define Boundary Conditions...
在Zone列表中选择域的名称. 在 zone type列表中选择边界类型 点击 Set...按钮进行边界条件的设置
亦可在图形界面中采用鼠标右键来选择边界 进行设置.
注: 在有回流产生的情况下，采用压力出口条件代替出流条 件可能更加有利于求解问题的收敛.
出流 （Outflow）条件的限制
出流条件不能应用于:
可压缩流动. 在采用压力入口的情况下 (通常可用速度入口代替): 密度会改变的非定常流动.
outflow condition ill-posed
在求解过程中或部分区域中出现. 假设方向垂直于边界. 可以减少收敛的难度. 当逆流发生时，设定的静压值作为总压计算.
压力出口条件（pressure outlet） (2)
不可压缩流动:
输入静压定义出口边界条件 其它所有边界参数通过内部流动计算获得. 如果局部超音速，则忽略静压输入. 所有边界参数通过内部流动计算获得.
设定各出口的流量权重: mi=FRWi/FRWi.
各出口静压根据流动的分布不同而不 同.
velocity inlet
FRW1
也可以采用压力出口条件设定.
FRW2
velocity-inlet (v,T0) or pressure-inlet (p0,T0)
pressure-outlet (ps)1 pressure-outlet (ps)2
湍流边界条件的设置
在流场的入口、出口和远场边界上，用户需要定义流场的湍流参数。
在FLUENT 中可以使用的湍流模型有很多种。
在使用各种湍流模型时，哪些变量需要设定，哪些不需要设定以及如何给定这些变量的具体数值，都是经常困扰用户的问题。
本小节只讨论在边界上设置均匀湍流参数的方法，湍流参数在边界上不是均匀分布的情况可以用型函数和UDF（用户自定义函数）来定义，具体方法请参见相关章节的叙述。
在大多数情况下，湍流是在入口后面一段距离经过转捩形成的，因此在边界上设置均匀湍流条件是一种可以接受的选择。
特别是在不知道湍流参量的分布规律时，在边界上采用均匀湍流条件可以简化模型的设置。
在设置边界条件时，首先应该定性地对流动进行分析，以便边界条件的设置不违背物理规律。
违背物理规律的参数设置往往导致错误的计算结果，甚至使计算发散而无法进行下去。
在Turbulence Specification Method （湍流定义方法）下拉列表中，可以简单地用一个常数来定义湍流参数，即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边界上的值来定义流场边界上的湍流。
下面具体讨论这些湍流参数的含义，以保证在设置模型时不出现违背流动规律的错误设置：（1）湍流强度（Turbulence Intensity）湍流强度I的定义为：I=Sq rt(u’*u’+v’*v’+w’*w’)/u_avg (8-1)上式中u',v' 和w' 是速度脉动量，u_avg是平均速度。
湍流强度小于1％时，可以认为湍流强度是比较低的，而在湍流强度大于10％时，则可以认为湍流强度是比较高的。
在来流为层流时，湍流强度可以用绕流物体的几何特征粗略地估算出来。
比如在模拟风洞试验的计算中，自由流的湍流强度可以用风洞的特征长度估计出来。
在现代的低湍流度风洞中，自由流的湍流强度通常低于0.05%。
内流问题进口处的湍流强度取决于上游流动状态。
如果上游是没有充分发展的未受扰流动，则进口处可以使用低湍流强度。
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u i 0 xi
ui ' ' ui u j x j
在入口处存在压力的增高或降低.
进气风扇和通风入口Inlet Vent/Intake Fan
固壁条件
包含流体和固体的表面. 对于粘性流动，采用无滑移的条件:
壁面上流体切向速度等于固壁速度. 法向速度为 0 温度、热量和辐射等多种条件. 固壁材料的传热可定义为一维的传热计算. 壁面剪切速率和传热特性决定于壁面附近的流场.
轴对称条件
主要用于:
中心轴对称网格 3D O-type grid
设定:
不需另外设定参数
AXIS boundary
单元域: 流体
流体域 = 需求解的各单元组合. 流体参数输入.
组份，相.
mass, momentum, energy, etc.
允许设置源项:
定义为层流 可以定义为多孔渗流. 设定旋转周期流动的旋转轴. 定义流域的运动.
周期性（Periodic）边界条件
几何结构及其流动或传热具有周期性特征.
减少计算流域和计算量.
FLUENT里可用的两种形式. 通过周期面的p = 0.
旋转和平移周期性条件.
旋转周期性条件需要区域为旋转运动.
通过周期面存在一定的p. 默认条件下，FLUENT设定为平移周期性条件.
2、湍流的模拟
什么是湍流?
各速度分量非稳定、非周期性波动 mixing matter, momentum, and energy. 把速度描述成平均量和脉动量之和: Ui(t) Ui + ui(t)
ui(t) U i (t) Ui
Time
压力、温度等也呈现类似波动.
为何采用湍流模式模拟湍流?
N－S方程由一个连续性方程和三个动量 方程组成
u i 0 xi ui 2ui p ( ui u j ) 2 t x j xi x j
湍流模型
过滤（空间平均） LES（大涡模拟）
湍流模型
涡黏性模型 k-ε模型 K-ω模型 Spalart-Allmaras 模型
可压缩流动:
当入口采用压力入口，则出口必须采用压力出口.
出流（outflow）条件
除了压力参数外，流域内流出的流体在Outflow边界上流动 参数的法向梯度为零. FLUENT 通过内部流动的计算外推. 对以下情况适用:
事先不知道所计算问题的速度和压力. 在出口的流动接近于充分发展条件的情况下比较合适.
在以下情况下:
不清楚具体域的位置且首次设置； 模型中含两个以上同类型的边界时。.
入口和出口条件
描述流体流入和流出的边界条件类型:
通用的
可压缩流动
压力入口 压力出口
质量流入口 压力远场条件 通风入口, 通风出口, 进气风扇, 排气风扇
不可压缩流动
特殊条件
速度入口 出流条件
只适用于不可压缩流动.
停滞参数根据速度分布的不同而变化.
用于计算可压缩流动可能导致不符合物理规律的结果. 导致不符合物理规律的结果, 不正确的速度场等问题
应避免在接近固体障碍物的位置设定速度入口条件.
应用速度分布图
可选择应用UDF来定义入口边界的速度 分布.
速度分布图可以是空间相关或者时间相关. 通过其它CFD分析结果获得速度分布图 创建含坐标信息和边界数据的文本文件.
周期性条件:例子
p = 0:
4 tangential inlets
p > 0:
computational domain
Rotationally periodic boundaries
flow direction
Streamlines in a 2D tube heat exchanger Translationally periodic boundaries
ptotal pstatic (1
k 1 2 k /( k 1) M ) 2
超音速/初始表压:
定义超音速流动的静压. 对于不可压缩流动，可用于流场的初始化. 对于可压缩流动必须定义. 对于不可压缩流动，可用于定义静温度.
总温:
压力出口条件（pressure outlet） (1)
定义出口静压.
出口处外部环境的表压.
径向压力平衡选项. 逆向来流:
在求解过程中或部分区域中出现. 假设方向垂直于边界. 可以减少收敛的难度. 当逆流发生时，设定的静压值作为总压计算.
压力出口条件（pressure outlet） (2)
不可压缩流动:
输入静压定义出口边界条件 其它所有边界参数通过内部流动计算获得. 如果局部超音速，则忽略静压输入. 所有边界参数通过内部流动计算获得.
直接数值模拟只适合于模拟简单的低雷诺数流动. 作为可行的方法, 改而求解雷诺平均 Navier-Stokes (RANS) 方程:
Rij U i p 2U i U k xk xi x j x j x j
其中
Rij ui u j
(雷诺应力)
流体机械 结构创新设计技术
——边界条件和湍流简介
1、边界条件
概 况
入口和出口边界条件
速度边界
速度分布图表 湍流参数
压力边界和其它
壁面, 对称, 周期 和 轴对称边界 内流域
流体
多孔介质 移动区域
固体
内部面单元
概 况
边界条件:
直接描述边界上的流动情况. 求解数学方程所必须. 如，质量、动量和能量
operating pressure
以下情况可用压力条件:
流速未知 (如重力驱动流动). 出口处的自由流动.
vacuum
压力入口条件（pressure inlet）
定义总压、温度和其它标量.
ptotal pstatic 1 2 v 2
incompressible flows compressible flows
边界上的数据通过面域给定.
设置边界条件
各区域在前处理过程中划分完成 为特定的域设置边界条件:
Define Boundary Conditions...
在Zone列表中选择域的名称. 在 zone type列表中选择边界类型 点击 Set...按钮进行边界条件的设置
亦可在图形界面中采用鼠标右键来选择边界 进行设置.
固体域 = 需求解热传导问题的固体单元组 合.
不需求解流动
对于材料处理，还可设定为流体，但没有 对流发生. 还允许输入固体内的热源. 可以定义固体区域的运动
内面（Internal Face）条件
定义单元面
没有厚度 用于分割不同区域. 旋转机械 多孔渗水. 内部的固壁
用于实现以下物理模型:
设定各出口的流量权重: mi=FRWi/FRWi.
各出口静压根据流动的分布不同而不 同.
velocity inlet
FRW1
也可以采用压力出口条件设定.
FRW2
velocity-inlet (v,T0) or pressure-inlet (p0,T0)
pressure-outlet (ps)1 pressure-outlet (ps)2
Define Profiles
速度分布图还可以由以下手段制作:
速度分布图的超作:
在入口边界条件中选择.
设定湍流参数
当流动为湍流条件，入口、出口、远场边界条件等需要设定湍流 参数:
湍流动能 k
湍流耗散率
在实际设置时可采用以下四种方式设定:
明确地设定 k和 设定湍流强度和湍流尺度 设定湍流强度和湍流比率 设定湍流强度和水力直径
平均（系综平均）RSM模型R来自M模型RANS模型
人们从统计平均的角度出发提出：把一 个瞬态的物理量分解为一个平均量和一 ' 个脉动量之和，即 i i 。 i 把分解后的物理量带入到原始的N-S方程 中并取系综平均后，得到时均的N-S方程 （即雷诺方程）：
ui p ( ui u j ) t x j xi x j
根据不同的物理模型需要设定不同的边界参数. 指导方针:
有流体流入或流出的位置.
有利于收敛. 表示设置错误.
在边界方向避免出现过大的梯度.
减小边界上网格的斜度.
速度入口（velocity inlet）
定义入口边界的速度向量和标量. 知道入口处的详细速度分布时较好.
默认条件为均匀的速度分布 流动总（停滞）参数不固定.
其它进口和出口边界条件
质量流量入口
用于可压缩流动设定入口的质量流量. 对于不可压缩流动是不必要的. 在密度基于理想气体假设计算的情况下是有用的. 对于无限大流场中的外流计算问题.