搜索CFX中的Opening邊界
2017-02-21 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
最近涉及到一個關(guān)于射流卷吸的案例,為邊界條件傷透了腦筋,后來發(fā)現(xiàn)CFX中居然有現(xiàn)成的邊界類型。案例如下圖所示,1為主流射入邊界,2為出口邊界,3邊界情況未知。由于1邊界的射流作用,氣體可能會從3邊界吸入計算域,吸入量及吸入方向均未知。對于這類物理現(xiàn)象比較簡單的問題,采用CFD軟件進(jìn)行計算時卻遇到了難題。
困難的地方來自于邊界3的邊界條件確定上。對于常見的CFD軟件,通常邊界條件包括速度入口、壓力入口、壓力出口、對稱邊界、壁面邊界等等。好,對于這些邊界類型,我們來逐個看看。
1、能否使用速度入口?原則上是可以,取決于是否能夠精確測量邊界位置的速度,若有精確實驗數(shù)據(jù)也未嘗不可。但是實際上這些位置的測量相當(dāng)麻煩,而且這些位置的速度大小及方向分布與邊界1緊密相關(guān),似乎不好辦。而且,仿真的目的是為了獲取射流卷吸的流量,若是這些速度已知了,那仿真似乎也成了多余的了。
2、壓力入口可以否?理論上也是可以的,和1類似也是需要精確的壓力分布,因為壓力入口輸入的是總壓,實際上還是涉及到速度。
3、壓力出口呢?壓力出口輸入的是靜壓,看起來似乎可行。但是根據(jù)物理條件,邊界3上應(yīng)該是流入而非流出,指定3上的靜壓會產(chǎn)生嚴(yán)重的回流,而且還會導(dǎo)致計算發(fā)散。
4、壁面邊界可以否?看起來是可以,不過需要將計算域建得非常之大才行。對于我的案例,取30倍特征尺寸仍然難以接受,而且對于卷吸量的后處理非常困難(由于質(zhì)量守恒,出口的流量始終等于入口的流量)
5、對稱邊界可以么?在一些情況下對稱邊界可以用于替代壁面邊界,這個和4差不多,就省了。
現(xiàn)在想要有一種邊界類型,可以在預(yù)先不知道邊界條件的情況下,通過內(nèi)部流場迭代計算得到邊界信息,根據(jù)迭代的壓力自動決定流體的進(jìn)入和流出。事實上,CFX中提供的Opening邊界類型可以起到這樣的效果。
在CFX的邊界類型中,有一種類型稱之為"Opening",意為"開放邊界"。其邊界設(shè)置如下圖所示。
該邊界條件包含了幾種Mass And Momentun選項,如圖所示共包含了5種類型。
(1)Opening Pres. And Dirn(開放壓力及方向)
選擇此選項后,設(shè)置面板如下圖所示。
在該類型中,需要設(shè)置開放的靜壓Relative Pressure以及Flow Direction,其中流動方向設(shè)置有三種方式:Normal to Boundary Condition(邊界法向)、Cartesian Components(笛卡爾分量)、Cylindrical Components(圓柱分量)。
選用此類型時,當(dāng)邊界流動方向為流入計算域時,輸入的相對壓力被當(dāng)作為基于邊界法向速度分量的總壓;當(dāng)流動方向為流出計算域時,相對壓力被作為相對靜壓值。
對于指定壓力的開放邊界,采用此種方式為最為穩(wěn)健也是最為穩(wěn)定的方式,因為此種邊界條件為動量傳輸施加了約束。
(2)static Pres. And Dirn(靜壓及方向)
在這一類型中,需要輸入相對壓力及指定方向。
選用此類型時,無論邊界是流入還是流出,所指定的Relative Pressure均被當(dāng)做靜壓值。因此在邊界為流入條件時,由于邊界缺乏約束,容易導(dǎo)致嚴(yán)重的穩(wěn)定性問題。
(3)Entrainment(卷吸)
當(dāng)選用此邊界時,存在兩類壓力選項:Opening Pressure及Static Pressure。
當(dāng)使用static Pressure選項時,其效果類似于static pressure and direction選項,但是方向是通過強(qiáng)制垂直于邊界的速度梯度為0而獲取。
當(dāng)使用Open Pressure選項時,其行為類似于Opening Pres. And Dirn,而且不需要指定壓力方向。該選項具有與指定開放壓力邊界相同的穩(wěn)定性和穩(wěn)健性。流體求解器基于速度場方向局部計算流動方向。
若不選擇pressure option,則默認(rèn)選擇static pressure。
Entrainment選項適合于計算射流卷吸、邊界條件位置的情況。
(4)Cart. Vel. Components
指定邊界上速度笛卡爾分量,這一條件與inlet邊界相同。但是分量可以是流入或流出計算域。
(5)Cyl. Vel. Component
與笛卡爾速度分量方式相類似,只不過指定是柱坐標(biāo)速度分量,另外還需要指定旋轉(zhuǎn)方向。
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