流体机械结构创新设计技术CFD分析基础-边界条件和湍流(1).ppt

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1、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.指定进入计算流域的通量.如，质量、动量和能量流体和固体区域以单元域来描述.材料和源项等通过单元域给定.边界和内面区域以面域来描述.边界上的数据通过面域给定.,带孔板的管路流动中面和单元域关联,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

2、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.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:通用的压力入口压力出口不可压缩流动速度入口出流条件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.在边界方向避免出现过大的梯度.表示设置错误.减小边界上网格的斜度.,可压缩流动质量流入口压力远场条件特殊条件通风入口,通风出口,进气风扇,排气风扇,速度入口（velocity inlet）,定义

3、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只适用于不可压缩流动.流动总（停滞）参数不固定.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.应避免在接近固体障碍物的位置设定速度入口条件.导致不符合物理规律的结果,不正确的速度场等问题,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.速度分布图还可以由以下手段制作: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.速度分布图的超作:Define Profiles在入口边界条件中选择.,设定湍流参数,当流动为

4、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湍流强度和湍流尺度决定于上游条件等:涡轮的排除口Intensity=20%Length scale=1-10%叶片宽度孔板下游Intensity=10%Length scale=孔的尺寸水渠或管路中完全发展的流动Intensity=5%Length scale=水力直径,压力边界条件,压力边界条件需要输入参数为表压:操作压力的输入:Define Operating Conditions 以下情况可

5、用压力条件:流速未知(如重力驱动流动).出口处的自由流动.,压力入口条件（pressure inlet）,定义总压、温度和其它标量.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.总温: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.,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

6、其它所有边界参数通过内部流动计算获得.可压缩流动: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.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.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

7、):密度会改变的非定常流动.,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: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.也可以采用压力出口条件设定.,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.压力远场条件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.排气风扇和通风出口Exhaust Fan/Outlet Vent在出口处存在压力的增高或降低.进气风扇和通风入口Inlet Vent/In

8、take Fan在入口处存在压力的增高或降低.,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传热边界条件: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.对于湍流，固壁上的粗糙度可定义.壁面剪切速率和传热特性决定于壁面附近的流场.固壁可设定平动和旋转移动.,对称边界条件,减少计算流域.流场和几何结构必须对称:对称面上的法向速度为零对称面上的所有参量梯度为零对称面不需输入参数.对称面的设定需慎重.也可用于模拟粘性流动中的滑移壁面,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

9、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.,周期性条件:例子,p=0:,p 0:,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.允许设置源项:mass,momentum,energy,etc.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.,多孔介质（Porous Media）条件,处理为

10、特殊的流域.在 Fluid panel激活.压力损失可通过输入的阻力系数确定，或由集中参数模型计算.用于模拟通过多孔介质的流动 或其它分布式结构的阻力.,过滤器过滤纸多孔板流体分布器管束,移动区域,单区域:旋转参考系模型流动采用移动的参考坐标系描述应用上限制较多多区域:每个区域均采用不同坐标系描述:多参考坐标系模型混合面模型一个区域出口的流场参数用作 相邻的下一个区域的入口条件.每个区域定义为移动网格:滑移网格模型定义分界面.网格位置需要计算，非定常动网格,单元域:固体,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

11、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.用于实现以下物理模型:旋转机械多孔渗水.内部的固壁,2、湍流的模拟,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)压力、温度等也呈现类似波动.,什么是湍流?,Time,U i(t),Ui,ui(t),为何采用湍流模式模拟湍流?,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:其中(雷诺应力)时间平均湍流速度脉动通过

12、基于经验常数和主流的信息来求解.大涡模拟Large Eddy Simulation对大涡进行直接求解，而对小涡采用湍流模式s.,流动的基本方程,流体流动可以分为以下两大类：层流（Laminar flow）湍流（紊流）（Turbulent flow）从流动的机理来看都满足NavierStokes方程。,NS方程由一个连续性方程和三个动量方程组成,湍流模型,湍流模型,过滤（空间平均）,平均（系综平均）,LES（大涡模拟）,涡黏性模型,RSM模型,k-模型K-模型Spalart-Allmaras 模型,RSM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

13、动量之和，即。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）：,其中，为雷诺应力项。由于雷诺应力项的出现，使得方程组不封闭，无法求解。,举例（k-模型）,雷诺应力湍流黏性系数,雷诺应力模型RSM,Generation,Pressure-StrainRedistribution,Dissipation,TurbulentDiffusion,(modeled),(related to e),(modeled),(computed),雷诺应力输运方程.,Pressure/velocity fluctuations,Turbulenttransport,雷诺

14、应力模型RSM,RSM 依靠求解附加的雷诺应力（Reynolds stresses）来使得雷诺平均的N-S方程（Reynolds-Averaged Navier-Stokesequations）封闭.雷诺平均导致脉动项出现封闭方程依然需要计算耗散率的方程避免了涡年限等方性假设增加了需要模拟的方程.RSM 对于复杂流动的求解具有较高的精度.考虑流线的曲折、旋涡、旋转和高应变飓风流动,旋转燃烧流动旋转通道流动,二次流,LES（大涡模拟）,大涡模拟的基本原理Momentum,mass,energy,and other passive scalars are transported mostly by

15、 large eddies.Large eddies are more problem-dependent.They are dictated by the geometries and boundary conditions of the flow involved.,Small eddies are less dependent on the geometry,tend to be more isotropic,and are consequently more universal.The chance of finding a universal turbulence model is

16、much higher for small eddies.,主要步骤：1、用滤波函数滤波，把小尺度涡过滤掉。2、对小尺度的涡建模（即建立亚格子模型）,对原始的NS方程进行过滤之后，得到如下的亚格子应力项：此时需要对上面的亚格子应力项进行建模，使其可以表示为滤波之后物理量的表达式。,湍流黏性系数表达式：,Example:Channel Flow with Conjugate Heat Transfer,adiabatic wall,cold airV=50 fpmT=0 F,constant temperature wall T=100 F,insulation,1 ft,1 ft,10 ft,

17、P,Predict the temperature at point P in the solid insulation,Turbulence Modeling Approach,Check if turbulent ReDh=5,980Developing turbulent flow at relatively low Reynolds number and BLs on walls will give pressure gradient use RNG k-with nonequilibrium wall functions.Develop strategy for the gridSi

18、mple geometry quadrilateral cellsExpect large gradients in normal direction to horizontal walls fine mesh near walls with first cell in log-law region.Vary streamwise grid spacing so that BL growth is captured.Use solution-based grid adaption to further resolve temperature gradients.,Velocitycontour

19、s,Temperaturecontours,BLs on upper&lower surfaces accelerate the core flow,Prediction of Momentum&Thermal Boundary Layers,Important that thermal BL was accurately resolved as well,P,Example:Flow Around a Cylinder,wall,wall,1 ft,2 ft,2 ft,airV=4 fps,Compute drag coefficient of the cylinder,5 ft,14.5

20、ft,Check if turbulent ReD=24,600Flow over an object,unsteady vortex shedding is expected,difficult to predict separation on downstream side,and close proximity of side walls may influence flow around cylinder use RNG k-with 2-layer zonal model.Develop strategy for the gridSimple geometry&BLs quadrilateral cells.Large gradients near surface of cylinder&2-layer model fine mesh near surface&first cell at y+=1.,Turbulence Modeling Approach,Grid for Flow Over a Cylinder,Prediction of Turbulent Vortex Shedding,Contours of effective viscosity eff=+t,CD=0.53 Strouhal Number=0.297,where,