利用VOF公式和明渠邊界條件，Fluent可以對(duì)明渠流動(dòng)(如河流、大壩和無(wú)邊界河流中的表面凸起結(jié)構(gòu))的影響進(jìn)行模擬。這些流動(dòng)涉及在流動(dòng)的流體和它上面的流體之間存在一個(gè)自由表面(一般是大氣)。在這種情況下，波的傳播和自由表面的行為變得重要。流體一般受重力和慣性的作用。這一特性主要適用于海洋應(yīng)用和通過(guò)排水系統(tǒng)的水流分析。明渠流動(dòng)的特征受無(wú)量綱數(shù)弗勞德數(shù)控制，其定義為慣性力與靜水壓力之比。

其中，V是速度，g是重力加速度，y是長(zhǎng)度尺度，在本例中，y是渠道底部到自由表面的距離。方程18.36中的分母是波的傳播速度。由固定觀察者所看到的波速被定義為：

根據(jù)弗勞德數(shù)，明渠流動(dòng)可分為以下三類(lèi):

1 上游邊界條件

對(duì)于明渠流動(dòng)的上游邊界條件，有兩種選擇:

• pressure inlet

• mass flow rate

1.1 pressure inlet

入口處的總壓可以表示為：

1.2 mass flow rate

與明渠流動(dòng)相關(guān)的每個(gè)相的質(zhì)量流量定義為：

1.3 Volume Fraction Specification

在明渠流動(dòng)中，F(xiàn)luent根據(jù)邊界條件對(duì)話(huà)框中指定的輸入?yún)?shù)在內(nèi)部計(jì)算體積分?jǐn)?shù)，因此該選項(xiàng)已被禁用。對(duì)于亞臨界進(jìn)口流動(dòng)(Fr < 1)，F(xiàn)luent利用鄰近單元的數(shù)值重建邊界上的體積分?jǐn)?shù)值。這可以通過(guò)以下程序來(lái)完成:

• 使用單元值計(jì)算邊界處體積分?jǐn)?shù)的節(jié)點(diǎn)值。

• 使用內(nèi)插的節(jié)點(diǎn)值在邊界的每個(gè)面計(jì)算體積分?jǐn)?shù)。 對(duì)于超臨界進(jìn)口流動(dòng)(Fr > 1)，邊界上的體積分?jǐn)?shù)值可以用自由表面距底部的固定高度來(lái)計(jì)算。

2 下游邊界條件

2.1 pressure outlet

靜壓的確定取決于壓力規(guī)范方法:

• 自由表面高度:靜壓由方程18.40和方程18.42表示。對(duì)于亞臨界出口流動(dòng)(Fr <1)，靜壓取自邊界上指定的壓力分布，否則壓力取自鄰近的單元。對(duì)于超臨界流動(dòng)(Fr > 1)，壓力總是來(lái)自鄰近的單元；

• 從相鄰單元:靜壓總是從相鄰單元取；

• 表壓:靜壓為用戶(hù)指定值。

2.2 Outflow Boundary

可以在明渠流動(dòng)出口處使用outflow邊界條件來(lái)模擬流出口，在解決流動(dòng)問(wèn)題之前，無(wú)法了解流速和壓力的詳細(xì)信息。如果出流邊界條件未知，F(xiàn)luent會(huì)從內(nèi)部推斷出所需信息。

理解這種邊界類(lèi)型的局限性是很重要的:

• 通過(guò)將流量權(quán)重設(shè)為1，只能在出口處使用單出口邊界。也就是說(shuō)，在有流出邊界的明渠流中不允許有流出分離。

• 在模擬中應(yīng)該有一個(gè)初始流場(chǎng)，以避免由于出口處回流而導(dǎo)致收斂問(wèn)題，導(dǎo)致不可靠的解。

• outflow邊界條件僅適用于質(zhì)量流量入口。它與壓力入口和壓力出口不兼容。例如，如果選擇入口作為壓力入口，那么只能在出口使用壓力出口。如果選擇質(zhì)量流量流入口，則可以在出口使用outflow邊界條件或壓力-出口邊界條件。這僅適用于明渠流動(dòng)。

• 注意，出口邊界條件假設(shè)流動(dòng)在垂直于出口邊界面的方向充分發(fā)展。

2.3 Backflow Volume Fraction Specification

Fluent使用鄰近單元值在內(nèi)部計(jì)算出口邊界上的體積分?jǐn)?shù)值，因此禁用此選項(xiàng)。

3 Numerical Beach Treatment

在某些應(yīng)用中，希望抑制通過(guò)波的出口邊界引起的數(shù)值反射。為了避免波反射，在壓力出口邊界附近的單元的動(dòng)量方程中加入了阻尼項(xiàng)：

注意：此選項(xiàng)適用于明渠流動(dòng)和明渠波邊界條件。