搜索CFX中的Opening边界
2017-02-21 by:CAE仿真在线 来源:互联网
最近涉及到一个关于射流卷吸的案例,为边界条件伤透了脑筋,后来发现CFX中居然有现成的边界类型。案例如下图所示,1为主流射入边界,2为出口边界,3边界情况未知。由于1边界的射流作用,气体可能会从3边界吸入计算域,吸入量及吸入方向均未知。对于这类物理现象比较简单的问题,采用CFD软件进行计算时却遇到了难题。
困难的地方来自于边界3的边界条件确定上。对于常见的CFD软件,通常边界条件包括速度入口、压力入口、压力出口、对称边界、壁面边界等等。好,对于这些边界类型,我们来逐个看看。
1、能否使用速度入口?原则上是可以,取决于是否能够精确测量边界位置的速度,若有精确实验数据也未尝不可。但是实际上这些位置的测量相当麻烦,而且这些位置的速度大小及方向分布与边界1紧密相关,似乎不好办。而且,仿真的目的是为了获取射流卷吸的流量,若是这些速度已知了,那仿真似乎也成了多余的了。
2、压力入口可以否?理论上也是可以的,和1类似也是需要精确的压力分布,因为压力入口输入的是总压,实际上还是涉及到速度。
3、压力出口呢?压力出口输入的是静压,看起来似乎可行。但是根据物理条件,边界3上应该是流入而非流出,指定3上的静压会产生严重的回流,而且还会导致计算发散。
4、壁面边界可以否?看起来是可以,不过需要将计算域建得非常之大才行。对于我的案例,取30倍特征尺寸仍然难以接受,而且对于卷吸量的后处理非常困难(由于质量守恒,出口的流量始终等于入口的流量)
5、对称边界可以么?在一些情况下对称边界可以用于替代壁面边界,这个和4差不多,就省了。
现在想要有一种边界类型,可以在预先不知道边界条件的情况下,通过内部流场迭代计算得到边界信息,根据迭代的压力自动决定流体的进入和流出。事实上,CFX中提供的Opening边界类型可以起到这样的效果。
在CFX的边界类型中,有一种类型称之为"Opening",意为"开放边界"。其边界设置如下图所示。
该边界条件包含了几种Mass And Momentun选项,如图所示共包含了5种类型。
(1)Opening Pres. And Dirn(开放压力及方向)
选择此选项后,设置面板如下图所示。
在该类型中,需要设置开放的静压Relative Pressure以及Flow Direction,其中流动方向设置有三种方式:Normal to Boundary Condition(边界法向)、Cartesian Components(笛卡尔分量)、Cylindrical Components(圆柱分量)。
选用此类型时,当边界流动方向为流入计算域时,输入的相对压力被当作为基于边界法向速度分量的总压;当流动方向为流出计算域时,相对压力被作为相对静压值。
对于指定压力的开放边界,采用此种方式为最为稳健也是最为稳定的方式,因为此种边界条件为动量传输施加了约束。
(2)static Pres. And Dirn(静压及方向)
在这一类型中,需要输入相对压力及指定方向。
选用此类型时,无论边界是流入还是流出,所指定的Relative Pressure均被当做静压值。因此在边界为流入条件时,由于边界缺乏约束,容易导致严重的稳定性问题。
(3)Entrainment(卷吸)
当选用此边界时,存在两类压力选项:Opening Pressure及Static Pressure。
当使用static Pressure选项时,其效果类似于static pressure and direction选项,但是方向是通过强制垂直于边界的速度梯度为0而获取。
当使用Open Pressure选项时,其行为类似于Opening Pres. And Dirn,而且不需要指定压力方向。该选项具有与指定开放压力边界相同的稳定性和稳健性。流体求解器基于速度场方向局部计算流动方向。
若不选择pressure option,则默认选择static pressure。
Entrainment选项适合于计算射流卷吸、边界条件位置的情况。
(4)Cart. Vel. Components
指定边界上速度笛卡尔分量,这一条件与inlet边界相同。但是分量可以是流入或流出计算域。
(5)Cyl. Vel. Component
与笛卡尔速度分量方式相类似,只不过指定是柱坐标速度分量,另外还需要指定旋转方向。
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