FLUENT中操作压强、表压强、静压强、总压强、操作密度的理解

2017-02-21 by:CAE仿真在线来源:互联网

Fluent内部计算采用的都是相对压强。在Define——Operating Conditions…中,所示的Operating Pressure是操作压强。默认的操作压强为一个大气压101325Pa.

下面叙述一下笔者对采用Operating Pressure原因的理解。

在计算低马赫数的流动中,流体流速相对声速较低,这样在流动过程中产生的压力降或者说压力变化相对于流体的静压来讲是很小的。因为在流动中有压力相对变化和马赫数的平方在一个数量级。笔者通常这样理解压力变化的缘由:粘性力、体积力、电磁力等有些力是无法避免的,这些力在会改变流动流体的动量和能量。在流动过程中,流体又遵循能量守恒和动量守恒。速度的变化还和当地的流动截面有关,因为流动还要求质量守恒。速度和压力是不可分割的。压强的存在时刻使得能量和动量守恒。笔者认为压强的存在是一种调配功能,它体现的是一个因变量的作用,用以平衡各项,使得流动遵守三大定律。但流动同时是耦合的,压强的作用当然不仅仅是这些。温度的改变、速度梯度的变化还直接影响密度、粘性和粘性应力,这样所有的力都和速度产生了关联。力和能量是无法分割的,和动量更是有直接关系。再表前题,压力的相对变化和马赫数的平方成正比,当Ma<<1时,

ΔP/P∝Ma²<<1,这样在求解方程的时候如果所有节点的压力仍然采用P就会产生相当大的舍入误差。因此Fluent特地在Operating Conditions…面板设置了Operating Pressure选项,如此在内部的计算过程中,所有节点的压力将首先减去该值(默认为101325Pa)然后进行计算。熟悉控制方程的读者都知道,压力在所有方程中都是以相对量或者变化量出现的,故此这样处理并不是更改方程,而是在方程的两端都减去了一个常数值,使得所解的压力变化和在方程中的压力值处在一个数量级,这样,在迭代的过程中舍入误差将会大大减小。

当选用的计算流体为可压缩流体(ideal gas等)时,会出现如下警示:

Warning: Velocity inlet boundary conditions are not appropriate for compressible flow problems. Please change the boundary condition types used for this problem.

即速度入口的边界条件不适用于可压缩流体问题,如果忽略该警示而继续计算,那么计算结果是没有意义的。这是因为可压缩流体的密度与压力直接相关,速度入口无法准确提供入口工质所处压力,因此其密度不具备可信度,计算所得自然无意义。此时,可以采用将入口边界设置为Pressure-inlet。

需要注意,在设置了Operating Pressure之后,一些边界条件的设置面板上还会出现 gauge pressure 选项,这其实是顾及了一些位置的压力变化,因为有些入口或者边界的压力可能并不是当初设定的Operating Pressure,工况千变万化,Fluent 为了减小自己本身的计算量和提高对实际情况的仿真程度,设定了这一选项。比如已经设定了Operating Pressure 为101325 Pa,但由于某种原因你的压力出口处压力并非101325,而是201325,这个时候就需要设置gauge pressure为 201325 - 101325 = 100000.

界面上显示的Supersonic(超音速的;超声波的)/Initial Gauge Pressure指静压强。可能表示的是流体静止时总压相对于操作压强的值,静压Ps按可压缩等熵流动关系式,根据总压Po、M数计算:
Po/Ps=(1+(k-1)/2*M^2)^(k/(k-1))
k为气体绝热指数。Gauge Total Pressure 指的是总压。根据可压缩流体的等熵过程可知,流体的运动将使得总压加大,而且已经有公式可以计算。计算所得的总压减去操作压强极为要设置的值。

对于操作密度(operating density)的设置,Fluent 的帮助文档中提到,如果并没有使用波斯尼斯假设(Boussinesq approximation)而所求解的场又有重力和流动,那么推荐设定operating density。在默认情况下,fluent通过遍历流体区域求得的密度的均值作为operating density,是以在具有流动的算例中,即使不设定operating density,系统也会自行设定。而往往通过显示地自定义操作密度会达到更好收敛效果。

operating density在fluent中的调用过程如下:在动量方程或者能量方程中,压力项重定义为 :

p=p-(operating density)*g*h

笔者自己理解的是,fluent将重力中恒定的那一部分影响集成到了压力梯度中,通过压力修正方式解算出压力场和速度场之后,再把压力中减去的那部分重力影响加上。

设定的操作密度就以流动区域的平均密度为准即可。设置的大小本质上不影响求解的流场结果,但会影响压力场。

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