Fluent邊界的案例
三十三、Fluent邊界條件湍流參數設置詳解
邊界條件概述</strong></p><p> </p><p><strong>1.1 邊界條件概念</strong></p><p><br></p><p>邊界條件說白了就是求解微分方程的某些附加條件，這些附加條件對計算邊界做出了要求，比如某個邊界溫度必須為500K，Fluent求解時必須首先滿足這些要求。</p><p><br></p><p>求解任何微分方程都需要給定兩類條件才能求出定解，一類是邊界條件，另一類就是初始條件。</p><p><br></p><p>Fluent恰巧需要用戶給出這兩類條件(實際上任何數值軟件如Matlab都需要給出這兩類條件)。</p><p><br></p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy9N2FhkJ4HWNaJA2DPQMlmMoksqiarYia3g2gcIFcX69xUNVFYkus6YERyYGMtlNO7wqAAbgQy3UY9Q/640?wx_fmt=png"> </p><p><br></p><p><strong>1.2 Fluent邊界條件</strong></p><p><br></p><p>Fluent邊界條件類型非常非常豐富，僅僅針對進出口邊界，Fluent就提供了12種邊界條件類型。
展開 【轉】FLUENT的邊界類型
在前處理軟件中設置了interface，導入到fluent中若沒有設定grid interface，則在網格檢查中依然會報錯，不過設定了interface對之后再檢查的話，錯誤提示會消失。
其實我個人的建議是，在gambit中只指定名稱而不指定邊界類型，具體的類型到fluent中再修改。當然修改中還是要遵循上面的規則的。單面類型的邊界一定只能應用于外邊界，雙面類型區域只能用于計算域內部。
ANSYS Fluent 邊界條件（二）之outflow自由出口
ANSYS Fluent 邊界條件outflow自由出口的介紹及使用。
一、outflow簡介
當出口壓力與速度均未知時，可以使用Outflow邊界條件。該邊界通常無需定義任何物理參數，Fluent利用計算域內部信息通過數值外插獲取該邊界上的物理量分布。
Fluent將outflow邊界視作充分發展邊界，假設該邊界上的流動滿足充分發展流動假設。充分發展的流動是流動速度分布(和/或其他性質的分布，如溫度)在流動方向上不變的流動。需要注意的是，在Outflow邊界上只有法向方向的擴散通量為零，切向方向依然可以存在梯度。
二、使用限制
入口為壓力入口時，不可以使用outflow，此時應該使用壓力出口；
outflow邊界不能用于可壓縮流動，不可壓縮流動最好用壓力出口；
在不可壓縮的情況下，歐拉模型或混合多相模型可以使用outflow邊界。但如果出口可能產生回流，或流場在出口位置非充分發展時，通常使用壓力出口邊界。
三、使用說明
在完全展開的流中，流出邊界條件是遵循的，其中出口方向上所有流動變量的擴散通量為零。但是，也可以在流動尚未完全展開的物理邊界處定義流出邊界，如果出口處的零擴散通量假設預計會對流動解決方案產生很小的影響，則可以放心使用。
位置A作為Outflow邊界通常會計算不收斂，計算結果通常是無效的。因為該位置存在嚴重的流動回流，通過該邊界的質量流量是不確定的。此時應當使用壓力出口邊界；
位置B位于后向臺階再循環再附點附近。在該位置使用Outflow邊界是不合適的。該位置垂直于出口平面的梯度很大，可以預料到該邊界對上游流場影響較大，因此在該位置選擇Outflow邊界是不合適的；
位置C所示的出口邊界位于流動充分發展的區域。
展開 fluent邊界條件的修改與設定的一些技巧
求解邊界條件的確定是計算流體力學中一個非常重要的問題。流場的數值模擬需在有限區域內進行，因此，在區域邊界上給定邊界條件時要求在數學上滿足適定性，在物理上具有明顯意義。 邊界條件一般是在求解區域的邊界上，求解的變量隨地點和時間的變化情況。對于Fluent計算，邊界條件的設置直接影響到計算結果的精度。
1、邊界條件分類
從應用角度來看，fluent中邊界條件分類如下：
（1）進出口邊界條件：壓力、速度、質量進口、進風口、進氣扇、壓力出口、壓力遠場邊界條件、質量出口、通風口、排氣扇；
（2）壁面、repeating, and pole boundaries：壁面，對稱，周期，軸；
（3）內部單元區域：流體、固體( 多孔是一種流動區域類型)；
（4）內部表面邊界：風扇、散熱器、多孔跳躍、壁面、內部。（內部表面邊界條件定義在單元表面，這意味著它們沒有有限厚度，并提供了流場性質的每一步的變化。這些邊界條件用來補充描述排氣扇、細孔薄膜以及散熱器的物理模型。內部表面區域的內部類型不需要你輸入任何東西。)
2、邊界條件面板
邊界條件面板通過以下步驟打開：fluent打開——讀取mesh——選擇Define——Boundary Conditions...，到此面板已經打開，見下圖：
通過面板，可以發現，能夠進行以下設置：邊界類型的更改、邊界條件的給定、以及邊界條件的復制。
（1）邊界類型的更改
假如我們在前處理軟件中，只是對邊界進行了分隔開，而沒有進行適當的設定時，或者原本設定的邊界條件有誤時，此時，我們可以通過以下操作進行更改類型。
首先在Zone中選擇要更改的邊界名，得到下面的示意圖。
展開 
在FLUENT中分割邊界及計算域
圖7 網格信息
總結：
（1）本例只是簡要的說明在FLUENT中可以進行邊界及區域切割。雖然可以做，但并不是很方便。
（2）在進行前處理時，還是要細心的進行標記，畢竟專業的前處理軟件進行邊界標定要方便得多（可以直接選擇幾何，而在fluent中并不方便）
（3）有一些操作（比如將interior邊界改變為interface）需要在TUI中進行，具體操作參閱幫助文檔。
FLUENT明渠邊界應用
FLUENT的VOF模型中，包含有明渠流動（Open Channel Flow）選項，同時含包含有造波邊界（Open Channel Wave BC），用戶還可以使用Numerical Beach選項進行邊界消波處理。想深入了解此功能的童鞋們，可以查看fluent文檔。這里我們以一個簡單的實例來說明這三個選項的使用方法。
1、問題描述
這里方便起見，以2D問題為例。水深2.7m，長度20m，水面標高0m。計算域如圖1所示。設置左側面為速度入口邊界，速度v=0.5m/s，右側面為自由出流邊界。采用open channel wave BC邊界需要設定入射波。本問題中，設定波高0.4m，波長2m，波頭角0°，相位角-270°。
圖1 問題描述
2、在workbench中建立模型
啟動workbench，拖拽方式加入fluent模塊，如圖2所示。右鍵點擊A2單元格，選擇Properties，在彈出的屬性框中設置Analysis Type為2D。雙擊A2單元格進入DM模塊。
圖2 加入fluent模塊
3、DM中建立幾何
選擇XYPlane進行草圖繪制（注意2D幾何必須創建與XY平面上）。進入Sketching標簽頁，選取合適的草圖繪制工具，繪制如圖1所示的幾何。草圖繪制完畢后，選擇Concept > Surface From Sketches，選擇Base Objects為繪制好的草圖，點擊Generate創建surface。退出DM模塊。
圖3 建立surface
4、劃分網格
雙擊圖2所示的A3單元格進入mesh模塊。為計算域劃分網格。在樹形菜單上點擊右鍵，選擇insert > Mapped Face Meshing，選擇幾何體，采用map方式劃分網格。
展開 FLUENT中關于邊界和域的操作
FLUENT中關于邊界和域的操作
仿真前處理（建模、網格、邊界標定），通常是一個慢工細活的過程，很容易出現疏漏或考慮不周的情況，如物理模型簡化不夠、仿真域劃分不合理等，這時返回修改會導致很大的工作量，造成一些麻煩。實際上，關于邊界和域的很多操作，也都是能夠在FLUENT中完成的，雖然不如前處理軟件那邊強大，特殊情況下也能夠解燃眉之急。
共包括以下十小節：
1、邊界分割（Separate Face Zones）
2、域分割（Separate Cell Zones）
3、刪除域（Delete Zones）
4、合并邊界或域（Merge Zones）
5、網格分割（Slitting Face Zone）
6、邊界融合（Fuse Fase Zones）
7、邊界延長（Extrude Face Zone）
8、添加域（Append Case）
9、禁用/激活/刪除域（Deactivate/Activate/Delete Cell Zones）
10、創建周期性邊界（Make Periodic）
詳細內容如下(原本臺式已使用2020R3版，特殊時期，筆記本作的演示，因而截圖為19.2版本界面)：
1、邊界分割（Separate Face Zones）
邊界分割（Separate Face Zones）用于將多個標定在一起的面（多個面標定在一個邊界名稱中）分割為各自單一的邊界面。如，劃分網格過程中，在進行邊界標定時，不小心將兩個應該單獨標定的面定義成了一個名字，在FLUENT（Boundary Condition項）中這兩個面就會顯示成為一個邊界，這時就可以使用邊界分割將這兩個面分開。
在FLUENT中分離邊界主要有四種分割方式：Angle（根據角度進行分割）、Face（根據面進行分割）、Mark（利用標記區域分割）、Region（利用區域分割）。
展開 [轉載]FLUENT中關于周期邊界的一些問題
所謂周期性即重復性，FLUENT中周期邊界條件用來解決物理模型和所期待的流動/熱解具有周期性重復的問題。關于周期性邊界條件有幾點需要說明。
1、periodic一定是針對兩個面而言的，被選作周期邊界的兩個面必須具有相同的結構（具有相同的點數和線數），在運用GAMBIT做網格前，需要對這兩個面進行hardlink（msh-face msh-hard link），以確保這兩個面上具有相同的網格結構。
2、一個msh文件只能做一個周期域。
3、做hardlink時要注意方向的問題，必須一致，否則做出的網格是相反的，即使link上了也無法建立周期區域。對于含有環狀的結構面（如圖1所示），做hardlink時，內外圓弧都要選擇參照點，對于類似圓柱狀的幾何模型，最好做好一個面之后Sweep成體。
圖1
4、在GAMBIT里，將選作周期的兩個面設為wall，然后將msh文件導入FLUENT，按照如下步驟建立周期區域。
輸入命令：grid/modify-zones/make-periodic
按照提示輸入周期面信息，可以是ID，也可以是全稱。
5、如果對周期面做了hard link 依然無法建立周期區域，可以嘗試以下的操作:grid/modify-zones/matching-tolerance，此值一般不小于0.5。
6、定義周期邊界條件時，有兩種類型Specify Mass Flow & Specify PressureGradient，如果選擇第一種，只需要給定質量流量，壓力梯度不需要給定。流動方向按照建立的坐標來設定。
展開 FLUENT中的各種壓力關系—壓力邊界
上次談過不可壓縮流動中速度入口，自由出口邊界組合的計算模型內各種壓力關系，本次采用相同的模型，不過使用壓力邊界。
FLUENT中壓力邊界包括壓力入口邊界及壓力出口邊界。
入口：壓力入口，總壓500Pa
出口：壓力出口，靜壓0Pa
其他條件保持不變。
1、進出口流量統計
圖 1 流量統計
利用Report中的Flux進行流量統計，如圖1所示，可以看出，在不可壓縮流動中，進出口流量是守恒的。
2、各種壓力統計
利用Report中的Surface Integral進行壓力統計，這里取Area-Weighted Average。
圖 2 壓力統計
圖2為各種壓力統計，從圖中的數據可以得出以下結論：
（1）入口設置的是總壓，但靜壓不為0，出口設置的靜壓為0，統計得出的靜壓與設置值一致。
（2）入口與出口動壓基本保持一致，由于流量守恒，所以出口與入口平均速度保持一致，它們的細微差別在于出口位置速度分布不一致所造成，近似可認為它們一致。
（3）入口總壓統計值為500Pa，與輸入值保持一致。出口總壓358.87Pa，與入口總壓并不一致，因此在不可壓流動問題中，流量守恒，總壓不守恒。
（4）絕對壓力值=靜壓值+參考壓力值101325。
（5）總壓=靜壓+動壓。
3、進出口平均速度
圖 3 速度統計
從圖3所示的速度統計可以看出，進出口速度值相同（因為流量守恒）。
4、考察整個計算域
計算域內總壓不守恒，因為計算中考慮了粘性，粘性力會導致能量損失。下面將粘性模型改為無粘流Inviscid，如圖4所示。
圖 4 無粘流動
無粘計算的總壓統計結果如圖5所示。
圖 5 無粘計算總壓統計
從圖5可以看出，采用無粘模型計算，進出口總壓是守恒的，圖中數值上的細微差別是由于誤差所造成。
展開 關于Fluent熱邊界條件清單
1、壁面熱邊界，是基于Fluent計算傳熱問題的關鍵，因此大家有必須把各類邊界條件研究清楚。
-熱通量（熱流密度）；
-溫度
-對流
-輻射
-混合
-基于系統耦合器
-基于映射界面
2、Fluent壁面熱邊界條件的理論基礎就是1維傳熱學
3、熱流密度邊界：
上述適用于壁面臨近的區域為流體區域，當壁面臨界的區域為固體區域時，則使用下式計算：
4、溫度邊界：
壁面一側為流體區域時
壁面一側為固體區域時
5、對流邊界：
對流換熱邊界只針對流體，基于傳遞熱通量相等原理，得到了上式，默認在壁面位置沒有溫降低也沒有吸熱，如果用戶設置了壁面厚度，則可以考慮熱阻，如果用戶設置生熱率則可以考慮壁面發熱。
6、熱輻射邊界：
熱輻射邊界只針對流體，基于傳遞熱通量相等原理，得到了上式，在Fluent流體區域一側熱量基于對流換熱計算，在壁面外側熱量基于輻射傳熱定律計算。默認在壁面位置沒有溫降低也沒有吸熱，如果用戶設置了壁面厚度，則可以考慮熱阻，如果用戶設置生熱率則可以考慮壁面發熱。
7、混合傳熱邊界：
混合傳熱邊界只針對流體，基于傳遞熱通量相等原理，得到了上式，在Fluent流體區域一側熱量基于對流換熱計算，在壁面外側熱量基于輻射傳熱定律和對流換熱計算計算。默認在壁面位置沒有溫降低也沒有吸熱，如果用戶設置了壁面厚度，則可以考慮熱阻，如果用戶設置生熱率則可以考慮壁面發熱。
展開 fluent使用經驗 y+ 周期性邊界條件 收斂標準 修改fluent中單位
4.創建一對周期性邊界的的方法：（1）在命令框中按回車，得到命令提示符>
（2）輸入mesh/modify-zones/make-periodic,再根據提示選擇相應的面。
5.outflow邊界條件不需要給定任何入口的物理條件，但是應用也會有限制，大致為以下四點：
1.只能用于不可壓縮流動
2.出口處流動充分發展
3.不能與任何壓力邊界條件搭配使用（壓力入口、壓力出口）
4.不能用于計算流量分配問題（比如有多個出口的問題）
6.在壓力出口中，會要求輸入相應的backflow turbulent intensity等值，這些值只有在迭代時產生返流的時候才會使用，
通常設置成一個合理的值。算例14中，設置為intensity 10%，diameter hydraulic按實際模型數值。
7.后處理的時候，顯示速度矢量圖的時候，箭頭的長度可以不按速度的大小給出，而僅由箭頭的顏色決定，具體的操作:
Vector options.勾選Fixed Length
8.波爾茲曼數能表征傳熱中對流傳熱和輻射傳熱所占的比例，具體的表達式在第14個例子的最后。
9.不要使用那些書上寫的y+與yp的計算公式，那個公式一般只能提供數量級上的參考。推薦大家使用NASA的粘性網格間距計算
器，設定你想要的y+值，它就能給你計算出第一層網格高度，與計算結果的y+很接近。
展開 
FLUENT實現計算過程中邊界類型轉換
前面講到FLUENT中可以通過定義EVENT實現在某一時間點執行某項操作，其中包括了區域類型更改、邊界條件復制等功能。這次我們以一個相對簡單的例子來說明如何利用Event功能實現計算中邊界類型的更改。
1、問題描述
本例只為演示操作方法，因此選用的幾何模型較為簡單，復雜的模型操作方式完全相同。本例計算幾何模型如圖1所示。圖中尺寸：H2=70mm，H3=35mm，H6=5mm，H6=5mm，H8=90mm，V1=25mm，V4=10mm，V5=10mm。
圖 1幾何模型
邊界命名如圖2所示。
圖 2主要邊界
計算與左側為入口邊界inlet，采用速度入口，v=2m/s
Top邊界與bottom邊界為出口或壁面邊界，在計算過程中進行切換。
其它所有邊界為光滑無滑移壁面邊界。
邊界條件：分時段，在0~5s內，top與down均為靜壓為0的壓力出口；5內，將bottom邊界轉換為wall邊界；10s時，先將bottom轉換為pressure-outlet邊界，然后換top邊界為wall類型；15s時，將top邊界拷貝為bottom邊界。
2、計算網格
演示計算，并未對網格進行額外的加密處理，在mesh中劃分映射網格，如圖3所示。
圖 3網格模型
3、計算模型
常規流動計算，計算模型設置包括：
瞬態計算，Realizable k-e湍流模型，壁面處理采用Enhanced wall Treatment，工作介質采用默認的water。先定義初始邊界條件，入口速度v=2m/s，top與down均為壓力出口。
4、定義Event
在Dynamic Mesh中激活Event定義面板。
展開 Hypermesh聯合Fluent仿真：教你創建CFD邊界層網格 ￥2.9
Hypermesh聯合Fluent仿真：教你創建CFD邊界層網格
導言：本教程適合采用Hypermesh作為CFD前處理軟件的新手，主要解決做流體仿真分析時，邊界層網格如何創建，以及內部的四面體網格如何創建的問題，不包含求解器分析部分。
目錄：數據導入、數據清理、網格劃分、網格導出
1、 數據導入
在數據導入hypermesh之前確保一些大的清理步驟，比如塊的創建、切割、面的縫合等已經過專業的三維數模軟件處理（Hypermesh做這些操作不是很方便）。打開Hypermesh，User Profiles先選擇默認，按圖1的步驟點擊導入數據。
圖1 數據導入
展開 FLUENT中關于邊界類型的問題討論（1）
在FLUENT進行模型時，經常會遇到一些容易概念上容易混淆的邊界類型如：Interface、Interior、Wall與Wall-shadow。本期我們為大家區分下這些容易混淆的邊界。
Interface—交界面，它是邊界類型的一種，用于連接不同的計算域，從而保證兩個計算域之間有數據的傳遞，其中連接的兩個計算域可以是都是流體，也可以是一個為流體另一個為固體即流固耦合問題。在這里要強調以下，Interface是兩個獨立的區域的邊界，是實際存在的邊界。（同時Interface并不要求邊界上的網格節點一一對應）。
圖1 利用Interface連接不同計算域
Interior—內部面，通常出現在單計算域邊界，通常在單計算區域內劃分不同網格時會用到此類邊界，比如圖2中的模型玻璃窯爐的火焰空間模型。我們煙道口利用Interior完成了局部網格的加密，但是導入FLUENT后，這個邊界時不存在的，也就是說Interior與Interface不同的是，Interior不是計算區域邊界，而是計算區域內部網格面，是虛擬的。
圖2 玻璃窯爐火焰空間的網格劃分
Wall與Wall-shadow，嚴格意義將其實不能專門作為邊界類型講，因為在系統邊界定義時是沒有Wall-shadow 這種邊界的，Wall與Wall-shadow其實也是一種不同區域間的耦合面與Interface類似，一般在做流固耦合問題會出現，當把網格導入fluent中時，軟件默認會把固壁與流體交接的面分成兩個耦合的面，一個wall屬于流體，另一個是wall-shadow，屬于固壁它默認選擇的是coupled。
展開 FLUENT網格必須做邊界層加密嗎？
工業上的流動問題大部分是湍流問題，當我們采用湍流模型來模擬這些流動的時候，如何處理固體壁面附近的邊界層是一個問題。按照FLUENT的User’s Guide[1]的指導，壁面附近的網格在垂直于壁面的方向應當適當加密，以準確地模擬邊界層的效應。但是，很多人在實際計算的時候，往往不對網格做邊界層加密（圖1），這是令人比較困惑的。
圖1 文獻[2]的物理模型和計算時使用的網格。該文獻的內容是計算一個截止閥內部的湍流流動。可以看出作者并沒有對網格做邊界層加密。
一方面，無論是按照FLUENT User’s Guide的指導還是按照湍流模型近壁面處理的有關知識，對壁面進行邊界層加密是必要的。另一方面，我們又看到很多人在實際計算中并沒有做邊界層加密，而且計算結果往往還和實驗測量值符合。這到底是什么回事呢？我們在實際計算的時候，是否必須對網格做邊界層加密呢？
這取決于所計算的問題的性質。如果在我們所計算的問題中，邊界層是一個重要因素，那么對邊界層網格進行加密是必要的；如果在我們所計算的問題中，邊界層是次要因素，那么可以不對邊界層網格進行加密。
我們來看兩個例子。第一個例子是平板湍流邊界層摩擦阻力的計算。沿著流動方向平板的長度是L=1m，來流速度U=10m/s，工質是水，其密度為ρ=1000kg/m3，粘性系數為μ=0.001Pa·s。我們生成了兩個網格，一個是不做邊界層加密的（圖2），另一個是做邊界層加密的（圖3）。我們在FLUENT 14.5中分別用這兩個網格來計算，所用的湍流模型是k-ω SST。
圖2 計算平板邊界層流動所用的網格。不做邊界層加密。邊界的紫色部分為速度入口，黃色部分為對稱條件，白色部分為壁面（即上文所提到的1m長的平板），紅色部分為壓力出口。網格尺寸為25mm。
展開 