cfd邊界條件的案例
STAR CCM+中關(guān)于邊界條件的設(shè)置(一)
在CFD計算時邊界條件的設(shè)置是十分重要的一個環(huán)節(jié)，邊界條件的準(zhǔn)確與否會直接影響最終的計算結(jié)果，計算的收斂速度，計算假設(shè)的合理性等等。邊界條件表示的是使用數(shù)學(xué)的方法將求解域與外部空間相互作用的結(jié)果，使用邊界上條件進行假設(shè)。值得注意的是一個CFD求解精度只能達到邊界條件的精度。
1.邊界條件類型概述
從求解空間上分可以分為內(nèi)流場和外流場：
下圖是內(nèi)流場示意圖，一般類型的內(nèi)流場包含了入口、出口和壁面。入口有速度入口、質(zhì)量流量入口和總壓入口；出口有出口和靜壓出口；壁面有光滑壁面、粗糙壁面、移動壁面、絕熱壁面等等。在STARCCM+中使用不同的圖標(biāo)表示出來。
下圖是外流場示意圖，一般類型的外流場包含了入口、出口和壁面。入口有速度入口、質(zhì)量流量入口和總壓入口；出口有出口和靜壓出口；目標(biāo)壁面有光滑壁面、粗糙壁面、移動壁面、絕熱壁面等等；地面有光滑壁面、粗糙壁面、移動壁面、絕熱壁面等等；頂部面有對稱和滑移等。在STARCCM+中使用不同的圖標(biāo)表示出來。
2.壁面邊界條件
在流動狀態(tài)下壁面邊界條件包含三種情況，剪切應(yīng)力的假設(shè)、表面粗糙度假設(shè)、表面速度假設(shè)。如下圖所示，剪切應(yīng)力假設(shè)：當(dāng)表面設(shè)置為滑移狀態(tài)時表面速度與求解域內(nèi)第一層網(wǎng)格內(nèi)速度相等，反之當(dāng)表面無滑移時表面速度為0；粗糙度假設(shè)：當(dāng)表面設(shè)置為0時表面速度將不受粗糙度K的影響，反之則受影響；表面速度假設(shè)：相當(dāng)于在壁面設(shè)置了速度矢量，表面的速度為u不再為0，那么整個求解域的計算將受到壁面速度u的影響。
表面速度假設(shè)對整場速度分布的影響最大，以一個案例來解釋對整場速度分布的影響如下圖所示。求解域有一個進口，兩個出口，最頂部的壁面考慮靜止和移動后對整場速度的影響。
展開 DEFORM邊界條件之：熱邊界條件(Thermal Boundary Conditions)
指定的子程序編號將與邊界條件所對應(yīng)的子程序相對應(yīng)。如果例程編號保留為0，則用戶可以定義局部邊界條件，在該條件下，需要指定環(huán)境溫度，對流系數(shù)，輻射率和熱流密度等條件。這四個變量都可以定義為常量或時間的函數(shù)。這個選項可以定義多個條件，每個條件對應(yīng)一個Definition No.
Definition 1:
Definition 2:
Definition 3:
淺談有限元計算中的邊界條件：什么是邊界條件
而解方程要有定解，就一定要引入條件，這些附加條件稱為定解條件。定解條件的形式很多，只討論最常見的兩種——初始條件和邊界條件。
在說邊界條件之前，先談?wù)劤踔祮栴}和邊值問題。
初值和邊值問題：
對一般的微分方程，求其定解，必須引入條件，這個條件大概分兩類---初始條件和邊界條件，如果方程要求未知量y(x)及其導(dǎo)數(shù)y′(x)在自變量的同一點x=x0取給定的值，即y(x0)=y0， y′(x0)= y0′，則這種條件就稱為初始條件，由方程和初始條件構(gòu)成的問題就稱為初值問題；
而在許多實際問題中，往往要求微分方程的解在在某個給定的區(qū)間a≤x≤b的端點滿足一定的條件，如y(a)=A，y(b)=B，則給出的在端點(邊界點)的值的條件，稱為邊界條件，微分方程和邊界條件構(gòu)成數(shù)學(xué)模型就稱為邊值問題。
三類邊界條件：
邊值問題中的邊界條件的形式多種多樣，在端點處大體上可以寫成這樣的形式，Ay+By=C，若B=0，A≠0,則稱為第一類邊界條件或狄里克萊(Dirichlet)條件；B≠0，A=0，稱為第二類邊界條件或諾依曼(Neumann)條件；A≠0，B≠0則稱為第三類邊界條件或洛平(Robin)條件。
總體來說：
第一類邊界條件：給出未知函數(shù)在邊界上的數(shù)值；
第二類邊界條件：給出未知函數(shù)在邊界外法線的方向?qū)?shù)；
第三類邊界條件：給出未知函數(shù)在邊界上的函數(shù)值和外法向?qū)?shù)的線性組合。
對應(yīng)于comsol，只有兩種邊界條件：
Dirichlet boundary（第一類邊界條件）—在端點，待求變量的值被指定。
Neumann boundary（第二類邊界條件）—待求變量邊界外法線的方向?qū)?shù)被指定。
展開 邊界條件（二） 壓力邊界
在選擇壓力邊界前，首先要確定是否符合選擇壓力邊界的條件。一般來說，由于流速受壓力梯度的影響，一般壓力邊界不能用在已知流速的邊界。
如果確定選擇壓力邊界，除了設(shè)置流體水深和流體率外，需要注意兩個方面：
1、駐壓條件stagnation pressure是否需要勾選
2、該使用絕對壓力還是相對壓力
該圖來自案例文件Flow Over a Weir中上游邊界的設(shè)定條件
現(xiàn)對其解析如下：
（一）
對不可壓縮的液體，由Bernoulli方程簡化可得
式中，P 為靜壓（static pressure），為動壓（dynamic pressure），P0 為總壓或駐壓（stagnation pressure ）。
在 flow3d 中，對駐壓和靜壓選擇并非通過該公式進行相互轉(zhuǎn)化，而是應(yīng)該從物理意義上理解二者的區(qū)別。
駐壓理論上為駐點處的壓力，液體質(zhì)點達到駐點后，停滯不前，壓力在此處有很大的變化。在 flow3d 中，駐壓限定了上游邊界的流速為 0。雖然在數(shù)值上，駐壓和靜壓大小相同，但從物理意義的角度，需要選擇駐壓條件。
對靜壓來說，flow3d 中限定了選擇靜壓的條件為：邊界法向流速的導(dǎo)數(shù)為 0。
總體而言，駐壓邊界相比靜壓邊界應(yīng)用范圍更廣。
舉例說明：
有一簡單管道，進口端與水庫相接，管中水流為恒定流。
如果計算區(qū)域的上游邊界選擇在管道的進口，則相對于水庫來說，管道進口可以看作駐點，因此，上游邊界應(yīng)該選擇駐壓邊界。
如果計算區(qū)域的上游邊界選擇在管道的內(nèi)部，遠(yuǎn)離進口的位置，這時，管道內(nèi)的上游邊界顯然則不能看作駐點，應(yīng)該選擇靜壓邊界。
展開 
[教程]hypermesh CFD邊界層網(wǎng)格劃分CFD-1200: CFD Meshing with
CFD-1200: CFD Meshing with Automatic BL Thickness Reduction
1. Load the CFD User Profile
2. Open the Model File
安裝目錄下的： manifold_inner_cylinder.hm 網(wǎng)格文件。
3. Check That the Surface Elements Define a Closed Volume
4. Generate a BL Distributed Thickness Loading to Prevent Boundary Layer Interference
5. Generate the Boundary Layer and Tetrahedral Core Mesh
點Mesh生成邊界層體網(wǎng)格。
合理控制修改層數(shù)、第一層厚度、增長率等參數(shù)，使得邊界層不超出壁面
6. Mask Elements to Inspect the Boundary Layers’ Thickness on Thinner Areas
7. Arrange Volume and Surface Components Before Exporting the Mesh for CFD Solvers
展開 FDTD中的邊界條件
前言
在時域有限差分法（FDTD）中，邊界條件在FDTD模擬中起著非常重要的作用，它們是開放建模區(qū)域用于截斷計算域所施加的條件，可以決定電磁波在邊界處的反射、透射和吸收等行為。我們將介紹FDTD模擬中網(wǎng)格截斷的幾種不同邊界條件，包括理想電導(dǎo)體（PEC）、理想磁導(dǎo)體（PMC）、周期邊界條件、bloch邊界條件、一階Mur吸收邊界條件以及PML邊界條件。其中mur邊界條件以及PML邊界條件都是吸收邊界，可以模擬光源激發(fā)的場傳播到無窮遠(yuǎn)處被完全吸收的情況，從而降低反射的光波對FDTD截斷區(qū)域的影響，這對FDTD的數(shù)值計算至關(guān)重要。
理想電導(dǎo)體和理想磁導(dǎo)體
當(dāng)PEC條件被應(yīng)用于截斷FDTD計算域時，它將使邊界上的切向電場為零。PEC可以理解為電導(dǎo)率無限大的材料。它的實際例子是波導(dǎo)和腔壁，以及微波電路或貼片天線的接地平面。
與PEC一樣，理想磁導(dǎo)體也是電磁波的一種自然邊界條件，也是全反射的。然而，與PEC不同的是，PMC不是物理的，它只是一種技巧。原則上，我們可以通過強制PMC表面上的切向磁場為零，來截斷計算域。
PEC和PMC經(jīng)常利用仿真的對稱性，以減小計算域的大小，或者用于截斷正入射平面波時的周期性結(jié)構(gòu)。
周期邊界條件和bloch邊界條件
周期邊界條件通常用于模擬周期性結(jié)構(gòu)，通過應(yīng)用這種邊界條件，F(xiàn)DTD計算域中的結(jié)構(gòu)和電磁場都被視為周期性的。這意味著在計算域內(nèi)，結(jié)構(gòu)和電磁場的變化會在一個周期內(nèi)重復(fù)。 而Bloch邊界條件主要適用于平面波以一定角度入射到周期性結(jié)構(gòu)中的情況。Bloch邊界條件將對模擬區(qū)域內(nèi)一個邊界處的場進行相位調(diào)整，然后將其注入到另一個邊界中。通過使用Bloch邊界條件，可以準(zhǔn)確地模擬周期性結(jié)構(gòu)中的任意入射角度的電磁波傳播特性，其公式可表示為：
其中為平移的晶格矢量，為bloch波矢。
展開 DPM|04邊界條件及后處理
導(dǎo)讀：介紹DPM相關(guān)的邊界條件設(shè)置及后處理，追蹤和顯示此類粒子軌跡的方法，以及調(diào)用數(shù)據(jù)采樣以獲取 DPM 后處理變量的時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
DPM邊界條件
要設(shè)置DPM邊界條件，可以進入Physics + Zones + Boundaries，編輯所需的邊界區(qū)域。單擊DPM選項卡，設(shè)置DPM邊界條件
Fluen默認(rèn)設(shè)置不同區(qū)域的DPM邊界條件如下
Reflect：應(yīng)用在wall、symmetry, 和axis 邊界上，恢復(fù)系數(shù)都等于1.0，并且回復(fù)系數(shù)只能在wall邊界進行修改
escape：應(yīng)用進出口邊界
在所有內(nèi)部邊界（散熱器、多孔跳躍等）都假定為內(nèi)部類型
粒子的粗糙壁面
粗糙壁面給了粒子不完美的反射，即返回方向不一定是預(yù)期，類似在不平坦的地面上反彈一個球。
當(dāng)粒子與壁面碰撞時，虛擬壁面取代真實壁面
虛擬壁面的傾斜角 從高斯分布中采樣，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差根據(jù)以下參數(shù)計算得出：
統(tǒng)計表面粗糙度參數(shù)。
顆粒直徑
粗糙壁面模型需要從Injection設(shè)置框激活
激活模型后，每個wall壁面的DPM設(shè)置都可以指定粗糙壁面參數(shù)
顯示軌跡
要顯示軌跡，請轉(zhuǎn)到“Result”選項卡的“Graphics”組中的“Particle Tracks”選項，然后單擊“New”
Release from Injections：選擇要跟蹤的Injection
Color by：下選擇粒子變量或其他變量
Track Style：將粒子軌跡顯示為不同的形狀（線、點等）
Vector Style：也可以將將粒子軌跡顯示為矢量。
展開 邊界條件
狄利克雷邊界條件
在數(shù)學(xué)中，狄利克雷邊界條件（Dirichlet boundary condition）也被稱為常微分方程或偏微分方程的“第一類邊界條件”，指定微分方程的解在邊界處的值。求出這樣的方程的解的問題被稱為狄利克雷問題。
在常微分方程情況下，如
在區(qū)間[0,1]， 狄利克雷邊界條件有如下形式：
y(0) = α1
y(1) = α2
其中α1和α2是給定的數(shù)值。
一個區(qū)域 上的偏微分方程，如
Δy + y = 0
(Δ表示拉普拉斯算子，狄利克雷邊界條件有如下的形式
這里，ν表示邊界 處(向外的)法向；f是給定的已知函數(shù)。
紐曼邊界條件
在數(shù)學(xué)中，紐曼邊界條件也被稱為常微分方程或偏微分方程的“第三類邊界條件”。紐曼邊界條件指定了微分方程的解在邊界處的微分。
在常微分方程情況下，如
在區(qū)間[0,1]， 紐曼邊界條件有如下形式：
y'(0) = α1
y'(1) = α2
其中α1和α2是給定的數(shù)值。
一個區(qū)域 上的偏微分方程，如
Δy + y = 0
(Δ表示拉普拉斯算子，紐曼邊界條件有如下的形式
這里，ν表示邊界 處(向外的)法向；f是給定的函數(shù)。法向定義為
其中?是梯度，圓點表示內(nèi)積。
展開 消失模邊界條件
一般用壓力邊界，澆口設(shè)置略高于1atm的壓力，砂型外表面設(shè)置實際真空度。
求助周期性邊界條件
晶體塑性有限元rve模型的周期性邊界條件
RVE周期性邊界條件
我用abaqus-Python學(xué)習(xí)了周期性邊界條件，感謝論壇里的老哥幫忙，其實做起來很簡單的，主要思路是對應(yīng)節(jié)點之間的約束。這里我用的綁定，不過我看其他人也有用耦合約束的。
a = mdb.models['Model-1'].rootAssembly
for i in range(1,27):
j = i
k = 650+i
#創(chuàng)建節(jié)點集
a.SetFromNodeLabels(name='Node_'+str(j), nodeLabels=(('Part-1-1', (j, )), ))
a.SetFromNodeLabels(name='Node_'+str(k), nodeLabels=(('Part-1-1', (k, )), ))
#通過循環(huán)將對應(yīng)節(jié)點綁定起來
mdb.models['Model-1'].Tie(name='Constraint-'+str(i), master='Node_'+str(j), slave='Node_'+str(k))
代碼寫的不是太嚴(yán)謹(jǐn)，其實核心思路就是批量操作，先錄制一個abaqus對應(yīng)節(jié)點的綁定過程，然后for循環(huán)，將一條邊上的節(jié)點批量執(zhí)行綁定操作，如果對應(yīng)邊的節(jié)點編號沒有順序，那還需要對節(jié)點重新編號，用前處理軟件和abaqus都可以實現(xiàn)。
展開 
abaqus模擬周期性邊界條件（單向纖維復(fù)材單胞） ￥19.89
image_process=/format,webp" data-initial-src="https://img.jishulink.com/202502/attachment/825177e8ae3b4565b79e59fd081bbf49.png">
</figure>
</figure><p class="ql-align-center">圖 22 參考點和邊界條件</p><p class="ql-align-justify">施加完邊界條件后，設(shè)置分析步。這里一共設(shè)置分析步，在每一個分析步中，只讓三個參考點中的一個在1方向有相應(yīng)的應(yīng)變，其他的兩個參考點的應(yīng)變設(shè)置為0。
展開 無反射邊界條件和負(fù)體積問題
本人在做磨料射流切割巖石的仿真過程中，對巖石四周施加了無反射邊界條件。
數(shù)值模型計算過程中，總是提示巖石單元出現(xiàn)負(fù)體積，造成數(shù)值模型無法計算。
如果去除無反射邊界條件且正常計算。后處理中查看產(chǎn)生負(fù)體積的巖石單元并未出現(xiàn)大變形。
嘗試過提高巖石單元的硬化程度，修改時間步長，加密或放大網(wǎng)格尺寸，控制沙漏等操作均為解決上述問題。
請問各位經(jīng)驗豐富的網(wǎng)友指點一下，不勝感激。
喵星人嘔心瀝血總結(jié)ABAQUS易出錯的邊界條件
image_process=/format,webp" data-initial-src="https://img.jishulink.com/202510/attachment/e291736cf5f1492cafc87c93a6366964.png"></figure>
</figure><p><br></p><p><br></p><p class="ql-align-center"><strong>結(jié)語</strong></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">盡管簡支作為結(jié)構(gòu)力學(xué)中最為簡單的邊界條件，但同學(xué)們在有限元模擬中仍然可能存在概念錯誤，因此喵星人給出了一些技巧和建議，希望對你有所幫助！</span></p><p><br></p>
展開 STAR CCM+中關(guān)于邊界條件的設(shè)置(二)
3.入口邊界條件
入口邊界條件包含的速度入口、質(zhì)量流量入口和停滯入口。在計算前是需要對氣流的方向進行指定的。在一般情況下只考慮三種情況如下圖所示，邊界幾何法向指定：氣流方向與入口邊界垂直；參考角度：設(shè)置與邊界形成的夾角；坐標(biāo)合成：設(shè)置局部或全局坐標(biāo)系上各個分量。
入口邊界的氣流方向不同對結(jié)果影響較大，以一個案例來說明在不同角度下整場的速度分布，如下圖。左圖為指定X方向的流動，該流動方向與入口邊界法向相同，在整個求解域中得到相對均勻的速度場分布。右圖為在Z方向上增加了一個速度分量w入口處的氣流與入口邊界形成一個夾角，氣流進入求解域后沿XZ合速度方向流動，受到頂部壁面和出口的共同影響形成拱形的速度流場分布。
入口邊界條件與氣流的流動息息相關(guān)，對于不同規(guī)范（通常使用雷諾數(shù)Re表征速度的大小，時間尺度表征定常及非定常等），熱交換假設(shè)等都適用。以一個表格來簡單總結(jié)一下入口可以設(shè)置的物質(zhì)量。
文章來源： 今宏科技Gohope
展開 