Ansys Fluent的wall boundary condition之热边界条件等

您将输入墙边界的以下信息:

对于固定墙,请在“ 墙运动”下选择“ 固定墙”选项。

如果要在计算中包括墙的切线运动,则需要定义平移或旋转速度或速度分量。在“ 墙运动”下选择“ 移动墙”选项。“ 墙”对话框将展开,如图6.46:“移动墙”的“墙”对话框所示,以显示墙速度条件。

请注意,您不能使用移动墙条件来建模问题,其中相对于相邻单元格区域的墙运动具有垂直于墙本身的分量。对于此类问题,请考虑使用“滑动或动态网格”方法,如“ 使用滑动和动态网格对流进行建模”中所述。ANSYS Fluent将忽略您使用以下方法指定的壁运动的任何正常分量。

提供四种类型的剪切条件:

默认为不打滑状态,它表示流体粘附在壁上,并且在移动时以与壁相同的速度移动。指定的剪切应力和Marangoni应力边界条件在建模条件中很有用,在这种情况下,已知剪切应力(而不是流体的运动)。此类情况的示例包括施加的剪应力,滑动壁(零剪应力)和自由表面条件(零剪应力或取决于表面张力梯度的剪应力)。指定剪切边界条件允许指定的,和剪切应力的分量作为常数值或轮廓。Marangoni应力边界条件允许您指定表面张力相对于该表面温度的梯度。根据温度的表面梯度和指定的表面张力梯度计算剪切应力。Marangoni应力选项仅适用于求解能量方程的计算。

镜面系数剪切条件专门用于颗粒流的多相中。镜面反射系数是将动量传递到墙的碰撞比例的度量,其值范围在零到1之间。该实现基于Johnson and Jackson [51]的粒状流边界条件。

在“ 墙”对话框的“ 动量”选项卡中输入剪切条件,该选项卡从“ 边界条件”任务页面打开(如“ 设置单元格区域和边界条件”中所述)。

您可以通过在“ 剪切条件”下选择“ 无滑移”选项来为无滑移墙建模。这是粘性流中所有壁的默认设置。

除了粘滞流默认的无滑墙外,您还可以通过指定零或非零剪切来建模滑墙。对于非零剪切,要指定的剪切是流体在壁上的剪切。要指定剪切,请在“ 剪切条件”下选择“ 指定剪切”选项(请参见图6.47:“指定剪切”的“墙”对话框)。然后,您可以输入和在剪切应力下的剪切分量。“ 指定剪切”选项不使用用于湍流的墙函数。

图6.47:“指定剪力”的“墙”对话框

对于多相颗粒流,您可以指定镜面反射系数,以便当该值为零时,此条件等效于壁上的零剪切,但是当该值接近于1时,会有大量的横向动量传递。要指定镜面反射系数,请在“ 剪切条件”下选择“ 镜面反射系数”选项(请参见图6.48:“镜面反射系数的墙”对话框),然后在“ 镜面反射系数 ”下的文本输入框中输入所需的值。

图6.48:“镜面反射系数”的“墙”对话框

ANSYS Fluent还可以对由于温度引起的表面张力变化而引起的剪切应力进行建模。施加在墙上的剪应力为

其中,是相对于温度的表面张力梯度,是表面梯度。然后将该剪切应力应用于动量方程。

要为墙建模Marangoni应力,请在剪切条件下选择Marangoni应力选项(请参见图6.49:Marangoni应力的Wall对话框)。该选项仅适用于求解能量方程的计算。然后,您可以在“ 表面张力梯度”字段中输入表面张力梯度(在公式6–110中)。Marangoni Stress选项不使用用于湍流的墙函数。

图6.49:“ Marangoni应力”的“墙”对话框

在各种情况下都会遇到在粗糙表面上流动的流体。除其他外,示例包括飞机表面(特别是由于积冰),船舶,涡轮机械,热交换器和管道系统的表面流动,以及粗糙度不同的地形上的大气边界层。壁面粗糙度会影响壁上的阻力(阻力)以及热量和质量的传递。

如果模拟湍流壁面边界流,其中的壁粗糙度的影响被认为是显著,您可以包括通过孔的表面粗糙度的影响 基准法的最墙修改粗糙度法律的墙式修改您可以使用其他粗糙度模型之一进行结冰模拟。

 

6.3.15.2.8.1。针对粗糙度修改的标准墙面法则

在粗糙的管道和通道上进行的实验表明,当以通常的半对数比例绘制时,粗糙壁附近的平均速度分布具有相同的斜率()但截距不同(对数律中的加性常数)。因此,针对粗糙度修改的平均速度的壁法则具有以下形式:

(6-11)

在哪里和

(6-12)

其中的粗糙度函数可量化由于粗糙度影响而引起的截距的偏移。

通常,取决于粗糙度的类型(均匀的砂子,铆钉,线,肋,网格线等)和粗糙度的大小。没有适用于所有类型粗糙度的通用粗糙度函数。但是,对于沙粒粗糙度和相似类型的均匀粗糙度元素,已发现与无量纲粗糙度高度(其中物理粗糙度高度和)高度相关。实验数据分析表明,粗糙度函数不是的单一函数,而是根据值采用不同的形式。已经观察到存在三种不同的机制:

• 流体动力学平稳()

• 过渡性()

• 完全粗糙()

根据数据,粗糙度影响在流体动力学平稳状态下可以忽略不计,但在过渡状态下变得越来越重要,在完全粗糙的状态下可以充分发挥作用。

在ANSYS Fluent中,将整个粗糙度方案细分为三个方案,然后使用Cebeci和Bradshaw基于Nikuradse的数据[22]提出的公式  对每种方案进行计算。

对于流体动力学平稳状态():

(6-13)

对于过渡制度():

(6-14)

哪里是粗糙度常数,取决于粗糙度的类型。

在完全粗糙的状态下():

(6-115)

在解算器,给定粗糙度参数,使用相应的式(评估公式6-113,式6-114,或式6-115)。然后,使用公式6–111中的修改后的壁厚 定律来评估壁厚和其他壁函数处的平均温度和湍流量的剪应力。

 代表对数速度曲线的下移,如下图所示:

图6.50:对数速度曲线的下移

对于较大的粗糙度高度和较低的,此向下偏移会导致奇异性。根据湍流模型和近壁处理,ANSYS Fluent中使用了两种不同的方法来避免此问题:

• 降低粗糙度,降低高度

  第一种方法是基于网格细化来重新定义粗糙度高度:

  (6-116)

  这样可以确保在接近零时也是如此。因此,在这种情况下,对于粗糙壁的网格要求为 ,以保持粗糙度对流的完全影响。

• 几乎在移动墙

  第二种方法基于以下观察结果:仅在水力光滑的壁附近才完全建立了粘性子层。在过渡粗糙度状态下,粗糙度元素比粘性子层稍厚,并开始干扰它,因此在完全粗糙的流动中,子层被破坏,粘性作用可以忽略。下图说明了使用具有紧密堆积的球体层的壁的等效沙粒粗糙度,其平均粗糙度高度代表具有不同形状和大小的峰和谷的技术粗糙度(请参见Schlichting和Gersten [108]):

  图6.51:等效沙粒粗糙度的图示

  
  
  

  可以假定,粗糙度具有阻塞效应,大约是其高度的50%(请注意,上图显示了三维排列的二维剖视图)。

  因此明智的做法是将壁虚拟移动到粗糙度元素高度的50%。这将导致第一个像元中心的校正值:

  (6-17)

  这给出了由表面粗糙度引起的正确位移。因此,避免了奇点问题,并且可以正确处理细网格。

第二种方法(即虚拟地移动壁)是将所有基于-方程的双方程湍流模型和随后的 基于-方程的湍流模型与标准和标准一起使用时对粗糙壁的默认处理方法。 可扩展墙函数(请注意,与使用标准墙函数相比,建议使用可扩展墙函数):

• 标准,RNG和可实现- 模型

• 雷诺应力模型

具有粗糙壁的所有其他模型组合(例如,Spalart-Allmaras模型)对细网格没有特殊的校准,因此使用第一种方法(随着高度的减小而减小粗糙度高度)。

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注意:   毛坯墙不能与以下模型组合一起使用:

• 强化墙处理或Menter-Lechner近墙处理的方程模型

  请注意,以下是相关的方程模型:

  • 所有- 模型(即标准,RNG和可实现)

  • 选择了线性压力-应变模型的雷诺应力模型

  • 选择了Realizable k-epsilon选项的分离涡流仿真(DES)模型

• 选择了Stress-Omega或 Stress-BSL模型的雷诺应力模型

• 过渡- - 模型

• 大涡模拟(LES)模型

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重要提示:   在使用ANSYS Fluent 14之前,使用基于-方程的湍流模型时,未应用公式6–117所述的偏移。您可以使用以下scheme命令恢复以前的代码行为:

(rpsetvar'ke-rough-wall-processing-r14?#f) (型号已更改)

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6.3.15.2.8.1.1。设置粗糙度参数

粗糙度参数位于“ 壁”对话框的“ 动量”选项卡中 (请参见图6.49:“马兰戈尼应力”的“壁”对话框),可从“ 边界条件”任务页面中打开(如“ 设置像元区域和边界条件”中所述)。

为了模拟墙面平整度的影响,你必须指定两个粗糙度参数:粗糙高度,和粗糙度常数,。默认的粗糙度高度()为零,对应于光滑的壁。为了使粗糙度生效,您必须为指定非零值。为了获得均匀的沙粒粗糙度,可以简单地将沙粒的高度取为。但是,对于不均匀的沙粒,平均直径()将是更有意义的粗糙度高度。对于其他类型的粗糙度,可以将“等效”沙粒粗糙度高度用于。仅当认为每个表面的高度恒定时,上述方法才有意义。但是,如果粗糙度常数或粗糙度高度不是恒定的,则可以指定轮廓(请参见轮廓)。类似地,可以使用用户定义的函数来定义不恒定的壁粗糙度高度。有关用户定义函数的格式的详细信息,请参见Fluent Customization Manual。

选择合适的粗糙度常数()主要取决于给定粗糙度的类型。确定默认的粗糙度常数(),以便在与- 湍流模型一起使用时,可以再现尼古拉德针对用紧密堆积,均匀的沙粒粗糙度进行粗糙化处理的管道的阻力数据。当要建模的粗糙度与均匀的沙粒相差很大时,可能需要调整粗糙度常数。例如,有一些实验证据表明,对于不均匀的沙粒,肋骨和金属丝网粗糙度,较高的值()更合适。不幸的是,有一个明确的选择指南 对于任意类型的粗糙度不可用。

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注意:   粗糙壁制剂的使用壁(的虚拟移优点方程6-117相比减少粗糙度高度)减小(等式6-116)是,它消除了所有的限制相对于啮合壁附近的分辨率,因此可以在任意精细的网格上使用。

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6.3.15.2.8.2。用于结冰模拟的其他粗糙度模型

如果您选择了附加粗糙度型号可供选择 Spalart-Allmaras湍流或SST在K-ω模型粘性模式对话框。有关更多信息,请参见使用湍流模型中的步骤。启用这些粘性模型之一后,将在“ 动量”选项卡的“ 壁边界条件”面板上的 “ 壁粗糙度 → 粗糙度模型 → 高粗糙度(结冰)”下使用其他粗糙度模型。关于湍流模型的处理的讨论 高粗糙度(结冰)启用中给出了Spalart-Allmaras湍流模型的治疗结冰模拟和对SST模型模拟结冰治疗。这些模型主要是针对结冰应用的仿真而设计和测试的,但是它们也可用于边界层已完全解析且表面粗糙度相对于近壁网格较大的其他应用。

请注意,高粗糙度(结冰) 模型仅对低Re数湍流有效,或需要精细的近壁网格(网格应完全解析边界层)。

图6.52:用于高粗糙度(结冰) 模型的“墙”对话框

您有以下选择:

• 规定的粗糙度

• NASA相关性

• 申塔尔

• ICE3D粗糙度文件

 

6.3.15.2.8.2.1。规定的粗糙度

“ 指定的粗糙度”选项与“ 标准粗糙度”模型中的相同 。有关更多详细信息,请参见设置粗糙度参数。

 

6.3.15.2.8.2.2。NASA相关性

如果选择了NASA Correlation选项,则使用经验性NASA相关性计算表面沙粒粗糙度高度,以结冰气流[110]。沙粒粗糙度高度由以下系数的乘积计算得出:

(6-118)

(6-19)

(6-120)

哪里是自由流速度,是自由流温度,LC是 液体含量(在大多数情况下,水积冰),c为特征长度和。

然后可以从以下公式获得沙粒粗糙度高度:

(6-12)

 

6.3.15.2.8.2.3。申塔尔

如果选择“ Shin-et-al”选项,则使用“ Shin and Bond”公式[110]计算表面沙粒粗糙度的经验相关性,该公式将修改NASA相关性(有关变量的说明,请参见NASA Correlation)。以下因素:

(6-12)

其中MVD是液滴的平均直径(液滴直径)。沙粒粗糙度高度的相应值可从以下公式获得:

(6-123)

 

6.3.15.2.8.2.4。ICE3D粗糙度文件

如果选择了ICE3D粗糙度文件,则将从FENSAP-ICE获取的基于节点的输入文件中读取沙粒粗糙度高度。该文件必须具有格式,并且可以通过File → Read → Profile在Fluent中进行读取。将FENSAP-ICE粗糙度文件读入Fluent后,文件名将出现在下拉列表中。

对于固定的热通量条件,请在“ 热条件”下选择“ 热通量”选项。然后,您需要在“ 热通量”字段中为墙表面的热通量设置适当的值。您可以通过设置零热通量条件来定义绝热壁。这是所有墙的默认条件。

要选择固定温度条件,请在“ 墙”对话框的“ 热条件”下选择“ 温度”选项。您将需要指定墙面温度(温度)。使用公式6–125或公式6–126计算到壁的热传递。

对于对流换热壁边界,请选择“ 热条件下的对流 ” 。您输入的传热系数和自由流温度将使ANSYS Fluent使用公式6–129计算到墙壁的传热。

如果您需要关注模型外部的辐射热传递,则可以在“ 墙”对话框中启用“ 辐射”选项,并设置“ 外部辐射率”和“ 外部辐射温度”。

您可以通过选择“ 混合”选项来选择将对流和辐射边界条件组合在一起的热条件。在这种热条件下,您需要设置传热系数,自由流温度,外部发射率和外部辐射温度。

在对具有扰动的流动层和/或受干扰的边界层的应用程序的传热进行建模时,可能有必要使用对流增强因子来增加对扩散热通量的计算。此类应用包括对引擎盖和车身底部热负荷进行建模,以及在完全预热的排气系统中进行瞬态传热。

对流增强因子表示测得的Nusselt数与理想流的Nusselt数之比。您可以使用以下文本命令来定义它:

define →交通 boundary-conditions →交通 wall

系统将提示您将定义Convective Augmentation Factor为配置文件或单个值。请注意,值1(默认值)表示不增加扩散热通量,而值大于1则表示增加扩散。有关详细信息,请参阅方程qid中DEFINE_HEAT_FLUX的的流利定制手册。

默认情况下,墙的厚度为零。但是,您可以结合任何热条件在墙壁上模拟薄薄的一层材料。例如,您可以模拟两个流体区域之间的一片钣金,实体区域上的涂层或两个实体区域之间的接触电阻的效果。ANSYS Fluent将求解一维稳态热传导方程,以计算墙体提供的热阻和墙体中的热量。

要在传热计算中包括这些影响,您将需要指定材料的类型,壁的厚度以及壁中的热发生率。在“ 材料名称”下拉列表中选择材料类型,然后在“ 壁厚”字段中指定厚度。如果要检查或修改所选材质的属性,可以单击“ 编辑...”以打开“ 编辑材质”对话框;该对话框仅包含所选材质的属性,而不包含标准“ 创建/编辑材质”对话框的全部内容。

当您指定厚度时,该壁将被视为耦合壁,其中与流体/固体单元相邻的表面称为“壁表面”。参见图6.54:薄壁。

图6.54:薄壁

壁的热阻为,其中是壁材料的电导率,是壁厚。您设置的热壁边界条件将在与流体/固体单元隔开壁厚的表面上指定。在墙的这一侧指定的温度为。

在热量产生率字段中指定墙内的热量产生率。例如,如果您要在印刷电路板上建模时知道电路中的功耗,则此选项很有用。

当对具有厚度但没有启用外壳导电的壁进行后处理时,“ 温度...”类别提供了三个选项:相邻流体/固体单元的温度存储为“ 静态温度”;壁面本身的温度存储为壁温;将与流体/固体小室隔开壁厚的表面温度存储为“ 壁温(薄)”。如果需要对实体区域和曲面进行更详细的分析,则应考虑在网格化应用程序中创建实体单元层。

如果壁区域的每一侧都具有流体或固体区域,则称为“双面壁”。当您在ANSYS Fluent中读取带有这种类型的墙区域的网格时,将自动创建一个“阴影”区域,以便墙的每一侧都是一个不同的墙区域。在“ 墙”对话框中,阴影区域的名称将显示在“ 阴影面区域”字段中。您可以选择在每个区域上指定不同的热条件,或耦合两个区域:

要为墙启用壳传导,请在“ 墙边界条件”对话框中启用“ 壳传导”选项。然后,您可以单击“ 编辑...”按钮打开“ 壳导电层”对话框,您可以在其中定义壳单层或多层的属性。请注意,您必须为壳体的每一层指定一个非零的壁厚。启用壳导热后,ANSYS Fluent将不仅沿法线方向(在求解能量方程式时始终计算),而且还沿平面方向计算壁的导热率。在壳牌传导选项将出现在墙激活能量方程式的求解时,所有墙的对话框均适用(映射接口除外)。有关如何将热条件应用于启用了壳体传导的壁,如何管理多个壳体以及对壳体传导壁进行后处理的信息,请参阅壳体传导注意事项。

ANSYS流利的外壳传导情况可以串行或并行读取。可以并行读取已分区或未分区的案例文件( 有关分区的更多信息,请参见网格分区和负载平衡)。并行读取案例文件后,可以在任何墙上创建外壳区域。

只需一次操作,define/boundary-conditions/modify-zones/create-all-shell-threads即可将有限厚度的每面墙都转换为壳体,可以使用TUI命令。每个转换后的壳将具有与原始薄壁相同厚度的单层(任何先前存在的壳将不被修改)。要通过一次操作禁用每个壁中的壳传导,define/boundary-conditions/modify-zones/delete-all-shells可以使用TUI命令。这些功能在串行和并行模式下均可用。

系统耦合允许从ANSYS Fluent输入和输出热数据。当Fluent使用System Coupling与Workbench中的另一个系统耦合时,您可以在所需的墙边界上选择via System Coupling选项,以通过System Coupling服务接收热数据。请注意,无需选择此选项即可提供Fluent的热数据。

有关使用系统耦合设置仿真的更多详细信息,请参见《使用Fluent执行系统耦合仿真》和《系统耦合用户指南》。

通过系统耦合将热数据传输到Fluent中时,以下变量可用:

通过系统耦合将热量数据从Fluent传输出去时,以下变量可用:

对于每个数据传输,您可以在系统耦合设置过程中指定数据传输的类型(传输的变量)。

作为ANSYS Fluent中标准传热边界条件设置的一部分,您还可以指定材料的类型,壁的厚度以及壁中的发热量。在“ 材料名称”下拉列表中选择材料类型;如果要检查或修改所选材质的属性,可以单击“ 编辑...”以打开“ 编辑材质”对话框(此对话框仅包含所选材质的属性,而不包含标准“ 创建”的全部内容。/编辑材料对话框)。您可以指定在厚度壁厚号码输入框,并在发热率的发热率号码输入框。

当界面区域彼此穿透或在它们之间存在间隙时,映射界面提供了一种强大的方法来建模区域之间的耦合壁(请参见图6.56:具有穿透力和间隙的2D界面)。对于作为此类界面的一部分创建的界面墙边界区域,将自动从“ 墙”对话框的“ 热”选项卡的“ 热条件”列表中选择“ 通过映射的界面”,以内插热数据。

有关映射接口的更多详细信息,请参见映射选项和ANSYS Fluent中的使用非共形网格。

图6.56:具有穿透力和间隙的2D接口

此类边界还允许您指定标准的传热边界条件设置,例如材料的类型,壁的厚度以及壁中的热发生率。在“ 材料名称”下拉列表中选择材料类型;如果要检查或修改所选材质的属性,可以单击“ 编辑...”以打开“ 编辑材质”对话框(此对话框仅包含所选材质的属性,而不包含标准“ 创建”的全部内容。/编辑材料对话框)。您可以在“ 壁厚数”输入框中指定厚度,并在“发热率”中指定发热率数字输入框。请注意,“ 外壳传导”选项在“ 通过映射接口”热条件下不可用。

如果在“ 物种模型”对话框中启用了对壁表面反应的建模,则可以指示是否应为壁激活表面反应。在“ 墙”对话框的“ 物种”选项卡中(图6.57:“物种边界条件输入”的“墙”对话框),打开或关闭“ 表面反应”选项。

请注意,对于不参与任何表面反应的物种,壁处假定为零梯度条件。

如果您使用的是VOF模型,并且正在建模墙壁附着力,则可以在“墙壁” 对话框的“ 动量”选项卡中为墙壁上的每对相指定接触角。有关详细信息,请参见设置边界条件的步骤。

在层流中,壁切应力由壁上的法向速度梯度定义为

当壁上有陡峭的速度梯度时,必须确保网格足够细,以准确地解析边界层。网格单元分布中提供了在层流中适当放置近壁节点的准则。

湍流的壁面处理 在《理论指南》中的“ 壁面湍流的近壁处理”中进行了介绍。

当在壁上施加固定温度条件时,从流体单元到壁的热通量计算为

请注意,流体侧的传热系数是根据局部流场条件(例如,湍流水平,温度和速度曲线)计算的,如公式6–132所述。

从固态单元到壁边界的热传递计算为

在壁上定义热通量边界条件时,可以在壁表面指定热通量。ANSYS Fluent使用公式6–125和您输入的热通量来确定与流体池相邻的壁表面温度,方法如下:

其中,如上所述,基于局部流场条件计算流体侧传热系数。当壁边界为实心区域时,壁表面温度计算为

当您在墙壁上指定对流传热系数边界条件时,ANSYS Fluent使用您的外部传热系数和外部散热器温度输入来计算到墙壁的热通量,如下所示:

公式6-129假定壁厚为零。

当在ANSYS Fluent中使用外部辐射边界条件时,计算到墙壁的热通量为

公式6–130假定壁的厚度为零。

选择组合的外部传热条件时,壁的热通量计算为

变量如上定义。公式6-131假定壁厚为零。

在层流中,使用壁上的傅立叶定律计算壁上的流体侧传热。ANSYS Fluent使用其离散形式:

垂直于墙的局部坐标在哪里。

对于湍流,ANSYS Fluent使用热和动量传递之间的类比推导得出温度的壁面定律  [60]。有关详细信息,请参见单独的理论指南中的“ 标准墙函数”。