1.2 Fluent邊界條件

Fluent邊界條件類型非常非常豐富，僅僅針對進出口邊界，F(xiàn)luent就提供了12種邊界條件類型。

velocity inlet? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????速度入口

pressure inlet? ? ? ? ????????????????壓力入口

mass-flow inlet? ? ? ? ? ? ? ? ? ????質(zhì)量流率入口

mass-flow outlet? ? ????????????????質(zhì)量流率出口

pressure outlet? ? ??????????????????壓力出口

pressure far-field???????????????????壓力遠場

outflow? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 自由出流

inlet vent? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?進風口

intake fan? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 進氣風扇

outlet vent? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?出風口

exhaust fan? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?排氣風扇

degassing? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?脫氣

雖然進出口邊界條件的類型很多，但是這些邊界條件存在一些共同點，那就是當使用湍流模型時，邊界條件選項中都會出現(xiàn)湍流參數(shù)的設(shè)置，如Turbulent Viscosity Ratio、Hydraulic Diameter等

下面我們就對這些邊界條件中的湍流參數(shù)設(shè)置進行詳細的介紹，希望大家能通過這篇文章把湍流參數(shù)的設(shè)置理解透徹。

2. 邊界湍流參數(shù)介紹

2.1 邊界湍流參數(shù)類型

常用的邊界湍流參數(shù)共有六個，分別是：

Turbulence Intensity? ? ? ? ? ? ?I? ? ? ? ? 湍流強度

Turbulent Viscosity Ratio? ? μt/μ? ? ?湍流粘度比

Turbulence Length Scale? ? ? l? ? ? ? 湍流長度尺度

Hydraulic Diameter? ? ? ? ? ? ?DH? ? ? ? 水力直徑

Turbulent kinetic energy? ? ? ?k? ? ? ? ?湍動能

Turbulent Dissipation Rate? ε或ω? ? ?湍流耗散率

在Fluent進出口湍流參數(shù)設(shè)置過程中，往往需要選擇兩個湍流參數(shù)設(shè)置

注：outlet邊界條件的湍流參數(shù)設(shè)置會在參數(shù)前加上Backflow，這表示的是出口出現(xiàn)回流時，回流的湍流參數(shù)。

正常情況下出口應該是流體流出，不會出現(xiàn)回流，那么設(shè)置的Backflow Turbulent Intensity等參數(shù)無效。

2.2 湍流參數(shù)重要性

這里不得不說明一下湍流參數(shù)的重要性，盡管有點啰嗦。但確實很重要，大家這一小節(jié)一定要看一下。

湍流邊界參數(shù)必須要很精確的設(shè)置嗎？并非如此??！！

在大多數(shù)湍流中，邊界層內(nèi)的湍流水平往往比流動進出口處的湍流水平高很多，因此流動進出口處的湍流設(shè)置對于計算結(jié)果常常沒有影響。--ANSYS Help

如果你要研究的工況屬于上述，那么到此為止，下面的內(nèi)容都不需要看了。

大多數(shù)工況下，湍流參數(shù)只需要估計個大概即可，不需要通過精確的計算得到這些參數(shù)。

但是這并不是說可以隨意設(shè)置湍流參數(shù)。在一些情況下，湍流參數(shù)的設(shè)置會影響收斂速度，甚至會影響計算結(jié)果。

那么什么樣的工況下，湍流參數(shù)會對計算結(jié)果產(chǎn)生影響，我們必須更精確的設(shè)置呢？

當剪切層內(nèi)的湍流水平不比流動進出口處的湍流水平高很多，也就是說進出口邊界的湍流水平很高時，對待湍流參數(shù)要小心設(shè)置。

常見的情況比如外部流動（比如射流），進出口湍流水平可能會比邊界層內(nèi)的湍流水平還要高，此時對于湍流參數(shù)的設(shè)置就重要很多。

3. 邊界湍流參數(shù)設(shè)置

3.1 湍流強度Turbulence Intensity I

湍流強度I被定義為脈動速度的均方根與平均流速的比值（--高等流體力學 歸柯庭 鐘文琪 編）。對于內(nèi)部流動，氣流充分發(fā)展時公式如下：

其中，u'表示湍流脈動速度的均方根，uavg為平均速度，ReDH表示以水利直徑為特征長度的雷諾數(shù)。通過這個公式，我們能夠估算出湍流強度，當ReDH=50000時，湍流強度I=4%。

對于內(nèi)部流，如果上游的氣流沒有充分發(fā)展，沒有受到干擾，可以使用低湍流強度。所謂低湍流強度是指湍流強度小于或等于1%，而大于10%的湍流強度被稱為高湍流強度。默認的湍流強度為5%。

我們設(shè)置這個參數(shù)時，可以先大概估算出工況的雷諾數(shù)，進而估算出湍流強度?；蛘咦约耗軌?strong>確定工況湍流水平的高低，然后大概給出湍流強度即可。

3.2 湍流長度尺度Turbulence Length Scale l

湍流長度尺度l與渦流的大小有關(guān)。完全發(fā)展的管內(nèi)流動中，湍流長度尺度l與管道的物理尺寸之間存在近似關(guān)系：

其中L為特征長度，與管道尺寸相關(guān)，Cμ是k-e湍流模型的一個常數(shù)項系數(shù)，一般默認值為0.09。此系數(shù)可在Fluent k-e湍流模型中查詢到。

注：在低版本Fluent中，湍流長度尺度的計算公式

接下來最重要的就是確定L了

在充分發(fā)展的圓管湍流中，L為管道直徑。

但是，如果湍流擾動是由于流動中的障礙物，比如旋葉、穿孔板，則L應為障礙物的特征長度，而不是管道直徑。

對于非圓截面的管道，L為其水力直徑。

對于入口有湍流邊界層的壁面邊界流動，不需要通過上式計算，湍流長度尺度可直接確定為邊界層厚度的0.4倍。

3.3 湍流粘度比Turbulent Viscosity Ratio??μt/μ

湍流粘度比顧名思義，就是湍流粘度與流體動力粘度的比值。但是湍流粘度μt并不是物性參數(shù)，因此難以確定。眾多的湍流模型都是圍繞這個參數(shù)展開的。

對于標準的k-e模型，其中最重要的假設(shè)就是用湍動能k和湍流耗散率ε來表示湍流粘度μt，公式中的Cμ與上面公式相同。

我們要設(shè)置湍流粘度比，不必通過計算的方式，只需要大致估算即可。

一般湍流粘度比在1-10之間，默認值為10。

對于低湍流水平如外部自由流，湍流粘度比可設(shè)置為1。對于中等湍流水平，湍流粘度比可設(shè)置為10。而對于高湍流水平，這個數(shù)值最大可以設(shè)置為100。

大家在計算的過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一個問題，湍流粘度比被限制

Turbulent viscosity limited to viscosity ratio of 1.00e+05 in 1833454 cells

湍流粘度比過大，說明計算過程中湍流水平極高，已經(jīng)達到了實際工況不可能的情況，F(xiàn)luent對其進行限制。大概率是因為計算過程發(fā)散導致，因此需使計算收斂。

參考文章三十二、Fluent收斂判斷標準及方法

https://mp.weixin.qq.com/s/CBhO9yJhWhGxDUhzCQ_SNQ

3.4 估算湍動能Turbulent Kinetic Energy? k

湍動能是用來衡量湍流動能的物理量，用平均值和脈動值代替瞬時值后取平均，再將三方向方程相加，即得到湍動能方程。

以上定義不重要，我們只需知道可通過湍流強度I估算湍動能k，公式如下：

其中，uavg為流動平均速度

3.5 估算湍流耗散率Turbulent Dissipation Rate? ε?

湍流耗散率在不同的湍流模型中用不同的符號表示，比如在k-e模型中，用ε表示，而在k-ω模型中，則用ω表示。我們先介紹ε的計算公式。

湍流耗散率ε?可以由湍流長度尺度Turbulence Length Scale l來得到：

其中，k為湍動能，l為湍流長度尺度

湍流耗散率ε?也可由湍流粘度比turbulent viscosity ratio得到：

其中，k為湍動能，μ為流體粘度，ρ為流體密度。

3.6 估算湍流耗散率Turbulent Dissipation Rate? ω?

湍流耗散率ω可以由湍流長度尺度Turbulence Length Scale l來得到：

湍流耗散率ω?也可由湍流粘度比turbulent viscosity ratio得到：

3.7 水力直徑Hydraulic Diameter? DH??

水力直徑是指過流斷面面積與周長之比的四倍

其中，A表示流體斷面面積，P表示流體斷面周長。

對于圓管內(nèi)流動來說，其本身的真實直徑就是水力直徑。而對于非圓管流或流體并沒有充滿管內(nèi)，則需要用上述公式進行計算。

擬無限寬(W >> H)的平行板間流動，其水力直徑應近似取2倍的板間距(2H)而不是板間距本身。

3.8 估算修正湍流粘度Modified Turbulent Viscosity v

當湍流模型為Spalart-Allmaras模型(一方程模型)時，邊界湍流參數(shù)會出現(xiàn)修正湍流粘度Modified Turbulent Viscosity的設(shè)置

修正湍流粘度可以通過湍流強度和湍流長度尺度得到：

3.9 估算雷諾應力分量Reynolds Stress Components

當湍流模型為雷諾應力模型(RSM)時，邊界湍流參數(shù)會多出來雷諾應力分量Reynolds Stress Components的設(shè)置。

UU、VV、WW雷諾應力公式為：

UV、VW、UW雷諾應力公式為：

4. 總結(jié)

從3.1到3.9，本文幾乎涵蓋了Fluent湍流邊界參數(shù)設(shè)置的所有內(nèi)容。

看起來好像有很多參數(shù)需要設(shè)置，但仔細分析就會發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)大多都不是獨立的。其中真正獨立的參數(shù)只有兩個。

也就是說9個參數(shù)，只要確定其中兩個，其他的參數(shù)都能夠通過公式計算得到。這也是為什么Fluent邊界湍流設(shè)置需要我們設(shè)置兩個參數(shù)。

再次重申一遍，大多數(shù)工況下，湍流參數(shù)只需要估計個大概即可，不需要通過精確的計算得到這些參數(shù)---原因請查看2.2。

本文到這里已經(jīng)3000多字，也算是干貨滿滿吧。我希望我的公眾號每篇文章都能將一些參數(shù)設(shè)置的理論說清楚，讓大家設(shè)置Fluent參數(shù)時有所依據(jù)。如果只給出設(shè)置步驟，毫無靈魂。

大家如果話得有用的，動動你們可愛的小手指，點贊+在看+收藏+分享一鍵四連呀··········三連也行

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