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(gè)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(huì)從3邊界吸入計(jì)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(jì)算時(shí)卻遇到了難題。

CFX中的Opening邊界cfx分析案例圖片1

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(gè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也未嘗不可。但是實(shí)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?yàn)閴毫θ肟谳斎氲氖强倝?實(shí)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?xiàng)l件,邊界3上應(yīng)該是流入而非流出,指定3上的靜壓會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的回流,而且還會(huì)導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散。

4、壁面邊界可以否?看起來是可以,不過需要將計(jì)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(gè)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(jì)算得到邊界信息,根據(jù)迭代的壓力自動(dòng)決定流體的進(jìn)入和流出。事實(shí)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。

CFX中的Opening邊界cfx培訓(xùn)課程圖片2

該邊界條件包含了幾種Mass And Momentun選項(xiàng),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(xiàng)后,設(shè)置面板如下圖所示。

CFX中的Opening邊界cfx培訓(xùn)課程圖片3

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(dòng)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(shí),當(dāng)邊界流動(dòng)方向?yàn)榱魅胗?jì)算域時(shí),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(dòng)方向?yàn)榱鞒鲇?jì)算域時(shí),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?yàn)榇朔N邊界條件為動(dòng)量傳輸施加了約束。

(2)static Pres. And Dirn(靜壓及方向)

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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(shí),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(shí),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)

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當(dāng)選用此邊界時(shí),存在兩類壓力選項(xiàng):Opening Pressure及Static Pressure。

當(dāng)使用static Pressure選項(xiàng)時(shí),其效果類似于static pressure and direction選項(xiàng),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(xiàng)時(shí),其行為類似于Opening Pres. And Dirn,而且不需要指定壓力方向。該選項(xiàng)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(jì)算流動(dòng)方向。

若不選擇pressure option,則默認(rèn)選擇static pressure。

Entrainment選項(xiàng)適合于計(jì)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(jì)算域。

(5)Cyl. Vel. Component

CFX中的Opening邊界cfx仿真分析圖片6