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05 Fluent前處理基礎(chǔ)

2023-01-09 17:42 作者:祖國陽光青年  | 我要投稿

1、前處理流程

一般的前處理可按照模型樹依次往下執(zhí)行

(1)General節(jié)點:主要設(shè)置計算模型總體參數(shù),如選擇瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)計算、壓力基或密度基求解器等。

(2)Models節(jié)點:選擇計算模型中所涉及的物理模型,并設(shè)置模型參數(shù)。

(3)Materials節(jié)點:選擇并設(shè)置材料參數(shù)。

(4)Phase節(jié)點:若涉及多相流模型,則需要在該節(jié)點下設(shè)置主相和次相,并設(shè)置相間作用模型。

(5)Cell Zone Conditions節(jié)點:設(shè)置計算域?qū)傩?,包括計算域工作介質(zhì)、計算域運動狀態(tài)等。

(6)Boundary Conditions節(jié)點:設(shè)置計算域邊界條件。

(7)Mesh Interface節(jié)點:在涉及多計算域問題時,需利用此節(jié)點進行計算域連接。

(8)Dynamic Mesh節(jié)點:若涉及動網(wǎng)格問題,需要在此節(jié)點下進行設(shè)置。

(9)Reference Value節(jié)點:設(shè)置參考值。

(10)Solution Methods節(jié)點:選擇并設(shè)置求解算法。

(11)Solution Controls節(jié)點:設(shè)置求解控制參數(shù),如設(shè)置亞松弛因子等。

(12)Monitor節(jié)點:設(shè)置定義監(jiān)視器。

(13)Solution Initialization節(jié)點:進行初始化。

(14)Calculation Activities節(jié)點:定義求解過程中的行為,如自動保存、動畫定義等。

(15)Run Calculation節(jié)點:求解設(shè)置。

(16)Graphics and Animations節(jié)點:設(shè)置后處理圖形設(shè)置,如云圖、矢量圖等。

(17)Plots節(jié)點:后處理曲線定義。

(18)Reports節(jié)點:量化后處理結(jié)果。

2、網(wǎng)格控制

2.1、網(wǎng)格縮放

導入網(wǎng)格后,如果與實際尺度存在差異,需要對模型進行縮放---scale功能

圖5.1??網(wǎng)格放縮


Domain extents:計算域尺寸,也就是模型在三個坐標上的尺寸分布,例如上圖中的模型x方向上尺寸為-0.0725~0.0725m,

Scaling:放縮方法及縮放的參數(shù)

Convert units:采用單位進行放縮,例子:m→cm,縮放因子為100

Specify scaling factors:采用自定的放縮因子

Scaling factors:各向放縮因子

其中mesh was created in 在選擇convert units后可選,選定對應(yīng)的網(wǎng)格創(chuàng)建單位為毫米或者米,在對應(yīng)的view length units中選擇對應(yīng)需要展示的網(wǎng)格單位

2.2、網(wǎng)格檢查(check)

2.3、網(wǎng)格顯示

在網(wǎng)格顯示中,通常用來顯示對應(yīng)的網(wǎng)格的劃分情況。Options下的五項分別為:節(jié)點、邊、面、分區(qū)、重置

?如下為選擇節(jié)點和面所顯示的部分

圖5.2? 選擇節(jié)點和面所顯示的部分

如下為選擇節(jié)點、面、分區(qū)三個所顯示的部分

圖5.3?? 選擇節(jié)點、面、分區(qū)三個所顯示的部分

?Edge type中只有在options中選擇edge時才能夠進行選擇,在surfaces中選擇需要展示的面進行展示即可?;蛘咭部梢赃x擇new surface進行單個面或塊部分網(wǎng)格的展現(xiàn),具體看個人需求。

Shrink Factor:收縮因子或者收縮系數(shù)

3、求解器

3.1、壓力基與密度基求解器

壓力基求解器分為分離求解器和耦合求解器兩種

3.2、密度基求解器

密度基求解器包括顯式求解器和隱式求解器

關(guān)于兩種求解器的說明:

壓力基求解器是從原來的分離式求解器發(fā)展來的,按順序一次求解動量方程、壓力修正方程、能量方程和組分方程及其他標量方程,如湍流方程等,和之前不同的是,壓力基求解器還增加了耦合算法,可以自由在分離求解和耦合求解之間轉(zhuǎn)換,耦合求解就是一次求解前述的動量方程、壓力修正方程、能量方程和組分方程,然后再求解其他標量方程,如湍流方程等,收斂速度快,但是需要更多內(nèi)存和計算量。

區(qū)別1:壓力基求解器主要用于低速不可壓縮流動(Ma<0.2為低速流動)的求解,而密度基方法則主要針對高速可壓縮流動而設(shè)計,,但是現(xiàn)在兩種方法都已經(jīng)拓展成為可以求解很大流動速度范圍的求解方法。兩種求解方法的共同點是都使用有限容積的離散方法,但線性化和求解離散方程的方法不同。

區(qū)別2:密度基求解器從原來的耦合求解器發(fā)展來的,同時求解連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和組分方程。然后依次再求解標量方程。(注:密度基求解器不求解壓力修正方程,因為其壓力是由狀態(tài)方程得出的)。密度基求解器收斂速度快,需要內(nèi)存和計算量比壓力基求解器要大

分離和耦合算法通常是針對壓力-速度耦合方程求解的,而顯式和隱式則是對時間項的離散而言的

3.3求解方法/算法的選擇

選擇壓力基求解器后,有4中算法:SIMPLE、SIMPLEC 、PISO 、Coupled

其中前三種均為分離算法,后一種為耦合算法,在瞬態(tài)問題中一般選擇PISO算法

SIMPLE:SIMPLE算法是一種迭代方法,通過將問題分為兩部分來解決納維-斯托克斯方程:一個描述流體運動的動量方程和一個保證質(zhì)量守恒方程滿足的壓力校正方程。

SIMPLEC:SIMPLEC(帶對流的壓力聯(lián)系方程半隱式方法)是SIMPLE算法的變體,旨在提高原始SIMPLE算法的解的穩(wěn)定性和降低計算成本。SIMPLEC算法是一種迭代方法,通過將問題分為三部分來解決納氏-斯托克斯方程:描述流體運動的動量方程、保證質(zhì)量守恒方程滿足的壓力校正方程以及考慮流體轉(zhuǎn)移動量的對流方程

?PISO :PISO (Pressure Implicit with Splitting of Operators)是一種數(shù)值算法,用于解決納氏-斯托克斯方程。PISO算法是一種迭代方法,通過將問題分成兩部分來解決納氏-斯托克斯方程:一個描述流體運動的動量方程和一個保證質(zhì)量守恒方程滿足的壓力校正方程。PISO算法的特點是在求解壓力校正方程時使用了一種叫做“操作器分裂”的技術(shù)。這種技術(shù)可以提高算法的穩(wěn)定性并降低計算成本。

Coupled:耦合算法是用于解決涉及多個耦合物理系統(tǒng)的問題的數(shù)值方法。耦合系統(tǒng)是通過能量、質(zhì)量或動量交換相互作用的兩個或更多物理系統(tǒng)的組合。耦合算法用于在各種設(shè)置中模擬耦合系統(tǒng)的行為,包括機械、電氣和熱系統(tǒng)。耦合算法可分為兩類:弱耦合算法和強耦合算法。當耦合系統(tǒng)之間的相互作用相對較弱時使用弱耦合算法,當耦合系統(tǒng)之間的相互作用較強時使用強耦合算法

在這里說一下什么是耦合,在流體動力學中,當兩個或更多的流體系統(tǒng)之間相互作用時,這些系統(tǒng)就是耦合的。這種相互作用可能包括能量、質(zhì)量或動量的交換。舉個例子,當一個流體經(jīng)過另一個流體時,它們之間可能會相互影響導致流體運動的改變。耦合算法是用于模擬這種相互作用的數(shù)值方法。

選擇密度基求解器后,求解格式有兩種,Implicit和Explicit兩種,分別對應(yīng)隱式求解和顯示求解算法

3.4穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)計算

這里先介紹下穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)的概念

穩(wěn)態(tài):指計算域內(nèi)的任何一個物理量分布不隨時間變化,比如一個圓管里,我假定速度一直是3m/s,過了一天速度還是這么多那么對應(yīng)的在這段時間內(nèi),可以看作穩(wěn)態(tài)處理。

瞬態(tài):與穩(wěn)態(tài)相反,瞬態(tài)則表示計算域內(nèi)的物理量隨時間變化的情況

需要說明的是,在自然界中,并不存在標準的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài),只是在特定的模擬場合將其簡化,有了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)

另外,在對穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)收斂性的判斷中,穩(wěn)態(tài)通常根據(jù)以下方法判斷:

觀察殘差收斂曲線,是否所有收斂殘差均降至所設(shè)置的收斂標準,可認為達到收斂

而在瞬態(tài)中,每一個時間步相當于計算一個穩(wěn)態(tài)過程,因此要保證每一過程均達到收斂

瞬態(tài)時間步長判斷:可大致通過以下公式進行預(yù)估

%5CDelta%20t%3D%5Cfrac%7B%5CDelta%20x%7D%7B%5Cnu%20%7D%20

分子為局部網(wǎng)格尺寸,分母為特征流動速度

3.5 監(jiān)視器定義

顧名思義,監(jiān)視器就是對某一物理量隨時間變化情況進行記錄

fluent包括三種監(jiān)視器類型,分別為:殘差曲線和力監(jiān)視器(residuals)、面監(jiān)視器(surface? monitor)、體監(jiān)視器(volume monitors)

殘差和力監(jiān)視器通常用來監(jiān)視物理量計算殘差,還可以定義監(jiān)視器檢測力;面監(jiān)視器主要用于監(jiān)視邊界面位置的物理量隨時間的變化情況;體監(jiān)視器主要用于觀察計算域內(nèi)物理量隨時間變化的情況

3.6fluent中的壓力

FLUENT計算過程中存在諸多的壓力,最典型的壓力包括靜壓(Static Pressure)、表壓(Gauge Pressure)、動壓(Dynamic Pressure)、總壓(Total Pressure)、操作壓力(Operating Pressure)、相對壓力(Relative Pressure)、絕對壓力(Absolute Pressure)等。

  • 表壓:通常指的是壓力表測量得到的壓力。目前所使用的壓力表測量得到的壓力值是測量位置的真實壓力值與當?shù)卮髿鈮旱牟钪?。實際上是相對于大氣壓的值,為一種特殊的相對壓力。

  • 操作壓力:在FLUENT之類的CFD軟件中,為了減小數(shù)值誤差,在計算過程中常常需要定義一個壓力參考值,以使計算過程中計算域內(nèi)的壓力處于同一數(shù)量級。該壓力參考值即為操作壓力,其為用戶自定義值。

  • 靜壓:真實壓力與操作壓力的差值即為靜壓值。靜壓是一種以操作壓力為參考值的相對壓力。動壓:動壓的概念來源于伯努利方程,其值為2/2,動壓與速度的平方成正比。

  • 總壓:靜壓與動壓的和。在速度為零的位置,總壓也稱為滯止壓力。

  • 絕對壓力:相對壓力值與操作壓力的和。當操作壓力為0時,相對壓力即為絕對壓力。

在FLUENT軟件中,涉及壓力輸入的位置包括:壓力入口邊界設(shè)置,設(shè)置入口總壓:壓力出口邊界設(shè)置,設(shè)置出口靜壓;操作條件設(shè)置,設(shè)置操作壓力。

4、湍流模型

在流體流動中,主要將流體流動分為層流和湍流。當流速很小時,流體分層流動,互不混合,稱為層流,又稱穩(wěn)流或者片流,當流速逐漸增大,流體的流線出現(xiàn)擺動,擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加,此種稱為過渡流;當流速增加到很大時,流線不在清楚可辨,流場中有許多漩渦,層流被破壞相鄰流層間不但有滑動,還有混合,這時流體做不規(guī)則運動,有垂直于流管軸線方向的分速度產(chǎn)生,這種稱為湍流,又稱穩(wěn)流和擾流或亂流。

從流體力學中可知,N-S方程包含一個質(zhì)量守恒方程和3個動量守恒方程,求解4個物理量,三個速度分量(u,v,w)以及壓力p,目前出現(xiàn)的湍流模型都是基于雷諾平均的方法對湍流脈動項進行時間平均處理,進而出現(xiàn)各式各樣的湍流模型,但大多數(shù)的結(jié)果都一樣是為了計算出速度及壓力。


圖5.4?? 直角坐標系下的N-S方程

層流湍流流動

圖 5.5? ?層流湍流流動示例

4.1 湍流和層流的判斷

湍流和層流通常用雷諾數(shù)來判斷

?

式中,%5Crho為流體密度,kg/m3;u為流速,m/s;L為特征長度,m;%5Cmu為動力黏度,Pa s。

對于內(nèi)部流動,通常認為雷諾數(shù)Re高于2300為湍流,低于2300為層流

外部流動,沿表面位置分布的雷諾數(shù)Re大于500000時通常認為其為湍流沿障礙物的雷諾數(shù)Re大于20000時,認為流動為湍流

對于自然對流,則利用瑞利數(shù)與普朗特數(shù)的比值進行判斷,當滿足Ra/Re>10^9時,可認為流動狀態(tài)為湍流

瑞利數(shù):

普朗特數(shù):

式中,α為熱膨脹系數(shù);%5CDelta%20T為溫差;L為特征長度;%5Cgamma為運動黏度;k為熱導率;%5Cmu%20為動力黏度;C_%7Bp%7D%20為定壓比熱容。

4.2 湍流求解方法

直接數(shù)值模擬(DNS)

從理論上來講,湍流流動能夠由數(shù)值方法求解NS方程來模擬,能夠求解得到尺寸頻率,無需接觸額外的模型。但是利用此方法進行求解花費太大(其計算開銷隨雷諾數(shù)成幾何倍數(shù)增長),因此在工程上的應(yīng)用受到限制。目前在FLUENT中無法應(yīng)用DNS方法。

大渦模擬(LES)

由于湍流直接模擬計算開銷過大,難以在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用,因此在直接模擬的基礎(chǔ)上發(fā)展出了大渦模擬方法。該方法利用濾波方法,對于大尺度的渦采用直接求解,而對于小尺度的渦則采用RANS方法進行求解。該方法的計算消耗低于DNS,但是對于大多數(shù)的實際應(yīng)用來講占用的資源還是比較大。隨著計算機計算能力的逐漸增強,該方法已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)流動計算中。在FLUENT軟件中可以使用大渦模擬方法。

雷諾平均NS模型

雷諾平均NS模型(RANS)方法是工業(yè)流動計算中使用最為廣泛的一種模型,其求解時間均值的納維斯托克斯方程。在FLUENT軟件中,k-e模型、k-w模型以及雷諾應(yīng)力模型均為RANS模型。

分離渦模型(DES)

分離渦模型是介于大渦模型與RANS模型之間的一種湍流模型。該模型通過比較湍流尺度與網(wǎng)格最大尺寸而自動決定使用大渦模型還是RANS模型進行湍流求解。

4.3、Fluent的湍流模型

如圖,在fluent中打開湍流模型設(shè)置步驟如下

圖5.6? ?在fluent中打開湍流模型設(shè)置步驟

主要的模型如Model列所示,下面對其做一定的介紹

圖5.7? 主要模型

Inviscid:無黏模型。計算過程中忽略黏性作用,通常應(yīng)用于黏性力相對于慣性力可忽略的流動。

Laminar:層流模型。默認情況下該模型被選中。計算域內(nèi)流動狀態(tài)為層流時采用該模型

Spalart-Allmaras (1 eqn):

SA模型。常用于航空外流場計算。對于幾何相對簡單的外流場計算非常有效。該方程為單方程模型,比較節(jié)省計算資源。

k-epsilon (2 eqn):工業(yè)流動計算中應(yīng)用最為廣泛的湍流模型,包括三種形式:標準k-e模型、RNG k-e模型以及Realizable k-e模型。

k-omega (2 eqn):k-w模型也是雙方程模型。在Fluent中,它包括兩種類型:標準形式以及SSTk-w模型。在對于外流場模擬中,該模型的競爭對手是SA模型。

Transition k-kl-omega(3 eqn):3方程轉(zhuǎn)捩模型,用于模擬層流向湍流的轉(zhuǎn)捩過程。

Transition SST (4 eqn):4方程轉(zhuǎn)捩模型,用于模擬湍流轉(zhuǎn)捩過程。

Reynolds Stress (7 eqn):雷諾應(yīng)力模型。沒有其他RANS模型的各向同性假設(shè),因此適合于強旋流場合。

Scale-Adaptive Simulation(SAS):SAS湍流模型主要用于求解瞬態(tài)湍流流動問題。當使用SAS模型時,強烈建議在Solution Methods面板中設(shè)置Momentum:選擇使用Bounded Centeral Differencing

Detached Eddy Simulation(DES):分離渦模型。當使用分離渦模型時,可選的RANS模型包括Spalart--Allmaras、Realizable k-epsilon以及SSTk-omega模型。

Large Eddy Simulation(LES):大渦模擬模型。在默認情況下,LES模型只在三維模型情況下才可選。若要在2D模型中使用大渦模擬模型,則需要使用TU1命令進行激活。

對于在工業(yè)流動計算中得到廣泛應(yīng)用的RANS湍流模型,適用場合見表所示

4.4、y+的基本概念

在臨近壁面位置,法向速度存在非常大的梯度。在非常小的壁面法向距離內(nèi),速度從相對較大的值下降到與壁面速度相同。因此對于該區(qū)域內(nèi)流場的計算,通常采用兩種方式:利用壁面函數(shù)法;加密網(wǎng)格,利用壁面模型法。對于這兩類方法的選取,可以通過y+來體現(xiàn)。

圖 5.8? ? ?近壁面位置速度分布

圖橫坐標所表示為無量綱壁面距離

y%5E%2B%3D%5Cfrac%7By%5Crho%20u_%7B%5Ctau%20%7D%7D%7B%5Cmu%20%7D%20

縱坐標為無量綱速度

%5Cfrac%7Bu%7D%7Bu_%7B%5Ctau%20%7D%7D%20

其中u_%7B%5Ctau%20%7D%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B%5Ctau%20_%7Bw%7D%20%7D%7B%5Crho%20%7D%20%7D%20,%5Ctau%20_%7Bw%7D為壁面剪切應(yīng)力,y為壁面法向距離。從圖中可以看出,在y+<5的區(qū)域,速度呈非線性形式,該區(qū)域通常稱為黏性子層(Viscoussublayer region);在y+>60區(qū)域,速度與距離幾乎成線性趨勢,該部分區(qū)域為完全發(fā)展湍流,也稱為對數(shù)律區(qū)域(loglaw region);兩部分之間的區(qū)域,常稱為過渡層(Buffer layer region).

對于近壁區(qū)域求解,主要集中在黏性子層的求解上,主要有以下兩種方式。

1.求解黏性子層

若想要求解黏性子層,則需要保證+值小于1(建議接近1)。由于y+直接影響第一層網(wǎng)格節(jié)點位置,因此對于求解黏性子層的情況,需要非常細密的網(wǎng)格。對于湍流模型,需要選擇低雷諾數(shù)湍流模型(如k-omega模型)。通常來說,若壁面對于仿真結(jié)果非常重要(如氣動阻力計算、旋轉(zhuǎn)機械葉片性能等),則需要采用此類方法。

2.利用壁面函數(shù)

壁面函數(shù)要求第一層網(wǎng)格尺寸滿足條件30<y葉<300,當尺寸過小時,壁面函數(shù)不可用:當尺寸超出該范圍時,無法求解黏性子層。通常使用高雷諾數(shù)湍流模型(如標準k-epsilon模型、Realizable k-epsilon模型、RNGk-epsilon模型等)。一般來說,在黏性子層數(shù)據(jù)不是特別重要的時候可以選用壁面函數(shù)進行求解。

3.y+在CFD計算中的應(yīng)用

在CFD計算過程中,y+的作用體現(xiàn)在劃分網(wǎng)格過程中計算第一層網(wǎng)格節(jié)點高度。其計算過程如下。

y+的實際計算過程:

網(wǎng)址:http://geolab.larc.nasa.gov/APPS/YPlus/

4.5、壁面函數(shù)

FLUENT中有5種近壁面處理方法,

這些近壁面處理方法包括標準壁面函數(shù)(Standard Wall Functions)、可縮放壁面函數(shù)(Scalable Wall Functions)、非平衡壁面函數(shù)(Non-Equilibrium Wall Functions)、增強壁面處理(Enhanced Wall Treatment)以及自定義壁面函數(shù)(User-Defined Wall Functions).

圖5.9? ?近壁面處理方法

這些壁面處理方式中,標準壁面函數(shù)、可縮放壁面函數(shù)以及非平衡壁面函數(shù)均為壁面函數(shù)法,適合于高雷諾數(shù)湍流模型(k-epsilon模型以及雷諾應(yīng)力模型),其要求第一層網(wǎng)格節(jié)點處于湍流核心區(qū)域,即y+值處于30~300之間。而近壁面處理則并非壁面函數(shù)法,其適合于低雷諾數(shù)湍流模型(k-omega模型),需要在近壁區(qū)域劃分足夠細密的網(wǎng)格,其要求第一層網(wǎng)格節(jié)點位于黏性子層內(nèi),即y+<5,且要求邊界網(wǎng)格層數(shù)至少為10~15層。

雖然壁面函數(shù)法是一種近似處理方法,然而其在工業(yè)流動問題計算中仍然應(yīng)用非常廣泛。對于簡單的剪切流動問題,利用標準壁面函數(shù)法可以很好地得到解決,而使用非平衡壁面函數(shù)法可以對于強壓力梯度及分離流動計算進行改善。而可縮放的壁面函數(shù)法則可改善第一層網(wǎng)格節(jié)點在計算迭代過程中處于黏性子層與核心層之間搖擺從而導致計算不穩(wěn)定的問題。增強壁面處理通常用于無法應(yīng)用對數(shù)律的復雜流動問題(如非平衡壁面檢查層或雷諾數(shù)較低的情況下)。近壁面建模的一些推薦策略如下。

(1)對于大多數(shù)高雷諾數(shù)流動情況(R>10°)下使用標準的或非平衡的壁面函數(shù)。在存在分離、再附或者射流流動中常使用非平衡壁面函數(shù)法。

(2)對于雷諾數(shù)較低或需要求解貼體特征時,需要使用增強壁面處理方法。

(3)增強壁面處理是SA模型與k-omega模型的默認壁面處理方式,但是其也可以用于k-epsilon模型與雷諾應(yīng)力模型。

5、邊界湍流設(shè)置

若在計算模型中使用了湍流模型,則在邊界條件設(shè)置過程中,對于進出口邊界需要設(shè)定湍流條件,對于不同的湍流模型,在邊界設(shè)置中湍流組合方式略有不同。若使用了k-epsiloni模型,則在湍流指定方法中可以選擇方法K and Epsilon、Intensity and Length Scale、Intensity and Viscosity Ratio以及Intensity andHydraulic Diameter。而若使用了k-omega模型,則湍流指定過程中可以選擇K and Epsilon及其他三項。

湍流邊界中的一些物理量計算方式如下

1.湍流強度

湍流強度定義為速度脈動的均方根與平均速度的比值。其計算方式如下。

I%3D%5Cfrac%7Bu'%7D%7Bu_%7Bavg%7D%20%7D%20%3D0.16(Re)%5E%7B-1%2F8%7D

式中,R為雷諾數(shù)。例如當雷諾數(shù)為50000時,根據(jù)式(11-5)計算出湍流強度約為4%。通常I<1%稱為低湍流強度,I>10%稱為高湍流強度,I=5%通常稱為中等湍流強度。

2.湍流尺度(Turbulence Length Scale)

湍流尺度通常用下式進行計算:

L%3D0.07L

式中,L為特征尺寸。

3.湍動能(Turbulent Kinetic Energy)

湍動能可以通過湍流強度及平均速度進行估算:

k%3D%5Cfrac%7B3%7D%7B2%7D(u_%7Bavg%7DI)%5E2%20

4.湍流耗散率(Turbulent Dissipation Rate)

湍流耗散率可以利用湍動能、湍流尺寸進行估算:

%5Cvarepsilon%20%20%3D%20C%20_%20%7B%20%5Cmu%20%20%7D%20%5E%20%7B%203%20%2F%204%20%7D%20%5Cfrac%20%7B%20k%20%5E%20%7B%203%20%2F%202%20%7D%20%7D%20%7B%20l%20%7D

式中,C_%7B%5Cmu%20%7D為k-epsilon模型的經(jīng)驗常數(shù),默認值為0.09。

5.omegai計算(Specific Dissipation Rate)

k-omega湍流模型中的omega可以通過下式進行估算:

%5Comega%20%20%3D%20%5Cfrac%20%7B%20k%20%5E%20%7B%201%20%2F%202%20%7D%20%7D%20%7B%20C%20_%20%7B%20%5Cmu%20%20%7D%20%5E%20%7B%201%20%2F%204%20%7Dl%20%7D

式中,k為湍動能;C_%7B%5Cmu%20%7D為k-omega模型的經(jīng)驗常數(shù),默認值為0.09。

6.湍流黏度比(Turbulent Viscosity Ratio)

湍流黏度比%5Cfrac%7B%5Cmu%20_%7Bt%7D%7D%7B%5Cmu%20%7D%20取值范圍通常為1~10。對于雷諾數(shù)非常大的內(nèi)流場,湍流黏度比可能會較大,如可能達到100的量級。

7.水力直徑(Hydraulic Diameter)

水力直徑可以利用下式進行計算:

D%3D%5Cfrac%7B4A%7D%7BL%7D%20

式中,A為過流面積;L為濕周長度。

FLUENT邊界湍流參數(shù)的指定通常采用以上參數(shù)的組合,主要包括以下幾種方式:顯式輸人k、epsilon以及omega;Intensity and Length Scale;Intensity and Viscosity Ratio;Intensity and Hydraulic Diameter。這四種組合方式是可相互轉(zhuǎn)換的,通常任意選擇一種組合方式即可。用戶可以根據(jù)計算模型的實際情況,選擇最合適的組合方式。

(1)對于內(nèi)流模型,通常選擇湍流強度與水力直徑組合。

(2)對于外流場計算模型,可以選擇湍流強度與長度尺度組合。

5.1、邊界條件分類

邊界條件類型主要有以下方面。

(1)axis:軸邊界,通常用于旋轉(zhuǎn)幾何的2D模型,無需設(shè)置邊界參數(shù)。

(2)outflow:自由出流邊界。用于充分發(fā)展位置,受回流影響嚴重,無法應(yīng)用于可壓縮流動模型,也不能與壓力邊界一起使用。

(3)massflow inlet:質(zhì)量流量入口邊界。設(shè)置入口質(zhì)量流量,通常用于可壓縮流動。在不可壓縮流動中,通常設(shè)置速度入口。

(4)pressure inlet:.壓力入口。設(shè)置入口位置總壓,應(yīng)用非常廣泛。

(5)velocity inlet:速度入口。設(shè)置入口速度,通常用于不可壓縮流動。設(shè)置負速度值可當做出口使用。

(6)symmetry:對稱邊界。對于2D Symmetry模型,對稱軸通常為X軸,模型必須建立在X軸上方。

(7)wall:壁面邊界。默認為無滑移光滑壁面,用戶可以設(shè)置壁面滑移速度。

(8)inlet vent:通風口邊界,與壓力入口類似,不過需要設(shè)置壓力損失系數(shù)。

(9)intake fan:進氣扇邊界。與壓力入口類似,需要設(shè)置總壓和壓力階躍。

(10)exhaust fan:排氣扇邊界。與壓力出口類似,需要設(shè)置出口表壓與壓力階躍。

(11)outlet vent:出風口設(shè)置。與壓力出口類似,需要設(shè)置出口表壓與壓力損失系數(shù)。

(12)pressure far-feld:壓力遠場邊界。通常用于航空航天外流計算中,用于模擬無窮遠來流,需要設(shè)置馬赫數(shù)與表壓。

(13)fan:風扇邊界。為內(nèi)部雙面集總邊界(即邊界兩側(cè)均為同一計算域)。需要定義風扇性能參數(shù)。

(l4)interior:內(nèi)部面邊界。通常為計算域內(nèi)部網(wǎng)格面。無需進行任何設(shè)置。

(15)porous jump:多孔階躍邊界。通常需要設(shè)置多孔介質(zhì)的厚度以及壓力階躍系數(shù)。

(16)radiator:散熱器。需要定義熱損失系數(shù)及傳熱效率。

對于以上的邊界條件可以簡單地分為兩類:單面邊界及雙面邊界,見表11-2。單面邊界通常指的是幾何模型的邊界面,而雙面邊界則通常由內(nèi)部面轉(zhuǎn)化而來,常常是集總參數(shù)邊界。


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