XFlow的邊界條件和壁面函數(shù)淺談

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XFlow做為有別于傳統(tǒng)CFD的新一代流體動力學(xué)分析軟件，可為我們多種復(fù)雜工況提供解決方案，做為后起之秀的擔(dān)當(dāng)，它提供了多種模型的復(fù)雜邊界條件和高級壁面函數(shù)處理邊界層問題，在一些功能的集成方面超越了傳統(tǒng)CFD軟件。 

拿2019x版本進(jìn)行舉例。如下圖所示，XFlow除了提供通常的壁面Wall和inlet, outlet中速度、質(zhì)量、壓力等邊界條件外，還提供了風(fēng)扇（Fan model），多孔體積（porous volume）等復(fù)雜邊界，可用于分析更復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)工況。

對于Convective outlet對流出口邊界條件，其出口位置的壓力和速度是從內(nèi)部外推的。當(dāng)流動出口有回流時，壓力出口Pressure outlet比對流出口Convective outlet具有更好的收斂效果，對流出口更適用于由不穩(wěn)定性引起的反射波流動出口情形。質(zhì)量流量邊界只適用于可壓縮流動，需指定入口質(zhì)量流量。對于不可壓縮流動，流體密度為常數(shù)，給定入口的速度后質(zhì)量流量就已經(jīng)確定了。對于風(fēng)扇邊界和多孔邊界，因CAE從業(yè)者很少涉及，不是太熟悉，不進(jìn)行過多闡釋。 

對于虛擬水洞，XFlow還提供了不同的初始條件定義，如下圖所示，用戶可以使用默認(rèn)或自定義，還可以使用Simulation data把對實(shí)際水洞的分析結(jié)果調(diào)入做為初始條件。

 

對于熱邊界條件，和傳統(tǒng)CFD一樣，XFlow提供了如下圖所示的一些熱邊界，其中Volume heat source只能應(yīng)用于多孔介質(zhì)模型。值得注意的是，在2019x版本中，XFlow在以前版本的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了CHT模型，CHT模型內(nèi)嵌在幾何模型中，在幾何模型下指定固體的密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等參數(shù)，可以同時求解流體的熱對流和固體間的熱傳導(dǎo)，且可以定義體熱源Volume heat，如下圖所示。

但是目前有兩個限制：

1、對固體定義了體熱源后，無法再對其表面進(jìn)一步定義Free convection對流換熱邊界；

2、對于內(nèi)流場分析，如果內(nèi)流場外部被有厚度的固體包圍，無法在固體表面進(jìn)一步施加Free convection對流換熱邊界，因?yàn)檐浖乃惴ㄔO(shè)定流域只能在固體包圍的區(qū)域；

目前上述兩方面的功能趕不上傳統(tǒng)CFD軟件，希望以后的版本能在這些方面進(jìn)行升級。

為了更真實(shí)地分析流動細(xì)節(jié)，XFlow提供了5種模式的壁面處理，如下圖所示。需要特別說明的是，為了提高壁面附近流動的求解精度，XFlow的高級壁面模型統(tǒng)一采用非平衡壁面函數(shù)形式對壁面進(jìn)行建模，處理粘性區(qū)與對數(shù)區(qū)間的連續(xù)混合區(qū)。

對于高Re數(shù)的流動，湍流和層流的壁面處理主要有兩種邊界處理方式：一是采用壁面函數(shù)進(jìn)行插值的方式，計(jì)算出壁面邊界層區(qū)域相對于邊界層外充分發(fā)展的區(qū)域的流動物理變量的值；二是通過加密邊界層網(wǎng)格進(jìn)行處理的方式，這種辦法對于超高速/流動分析等工況非常有效，但缺點(diǎn)也顯而易見，即大幅增加計(jì)算量和計(jì)算時間，對硬件的要求非常高，從這方面來講，壁面函數(shù)可能是操作性更強(qiáng)的一種辦法。 

再細(xì)說一下幾種壁面處理模式的區(qū)別。XFlow其實(shí)只有4種壁面模型。

1、  Automatic處理模式會自動選擇Enhanced Wall-function模型；

2、  Resolved沒有任何壁面處理，不考慮壁面附近流體運(yùn)動的細(xì)節(jié)；

3、  Enhanced Wall-function模型是一種加強(qiáng)的壁面處理函數(shù)，壁面附近流動不考慮壓力梯度的影響；

4、  Non-Equilibrium enhanced Wall-function是一種非平衡強(qiáng)化壁面函數(shù)，在求解邊界層物理量時會考慮局部壓力梯度的影響；

5、  Free-slip是一種自由滑移邊界條件，即流體可以在壁面上自由滑動，壁面與流體之間不存在剪應(yīng)力，這種壁面比較適合微觀的復(fù)雜流動分析。

除了Resolved和Free-slip兩種模型外，其他兩種模型需要指定壁面的粗糙度roughness，這里的粗糙度非實(shí)際的粗糙度量值大小，比如Ra0.8，而是一個無量綱量，它是以仿真計(jì)算時壁面的求解格子尺度為參考長度進(jìn)行計(jì)算的，其值在0~1之間。比如壁面的格子尺度是2mm，實(shí)際粗糙度大小是0.008mm，那么此處壁面的粗糙度設(shè)置成0.004。