2022年第章fluent基本物理模型.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 第八章 基本物理模型本章介绍了 FLUENT 所供应的基本物理模型以及相关的定义和使用；基本物理模型概述 FLUENT 供应了从不行压到可压、层流、湍流等很大范畴模拟才能；在 FLUENT 中, FLUENT 应用的例 输运现象的数学模型与所模拟的几何图形的复杂情形是结合在一起的；子包括层流非牛顿流的模拟,涡轮机和汽车引擎的湍流热传导,锅炉内煤炭粉碎机的燃 烧,可压射流,空气动力外流,以及固体火箭发动机的可压化学反应流；为了与工业应用相结合,FLUENT供应了很多有用的功能；如多孔介质,块参数（风扇和热交换）,周期性流淌和热传导,涡流,以及移动

2、坐标系模型；移动参考系模型可以 模拟单一或者多个参考系；FLUENT 仍供应了时间精度滑动网格方法以及运算时间平均流 动流场的混合平面模型,滑动网格方法在模拟涡轮机多重过程中很有用；FLUENT 中另一 个很有用的模型是离散相模型,这个模型何以用于分析喷雾和粒子流；,多项流模型可以 用于推测射流的破散以及大坝塌陷之后流体的运动,气穴现象,沉淀和分别；湍流模型是FLUENT中很重要的一部分,湍流会影响到其它的物理现象如浮力和可压缩性；湍流模型供应了很大的应用范畴,而不需要对特定的应用做出适当的调剂,而且它 涵括了其它物理现象的影响,如浮力和可压缩性；通过使用扩展壁面函数和区域模型,它 可以对近壁

3、面的精度问题有很好的考虑；各种热传导模式可以被模拟,其中包括具有或不具有其它复杂性如变化热传导的,多 孔介质的自然的、受迫的以及混合的对流；模拟相应介质的辐射模型及子模型的设定通常可以将燃烧的复杂性考虑进来；FLUENT一个最强大的功能就是它可以通过耗散模型或者和概率密度函数模型来模拟燃烧现象；对于燃烧应用特别有用的其它模型也可以在FLUENT 中使用,其中包括碳和液滴的燃烧以及污染形成模型；连续性和动量方程对于全部的流淌,FLUENT都是解质量和动量守恒方程；对于包括热传导或可压性的流淌,需要解能量守恒的附加方程；对于包括组分混合和反应的流淌,需要解组分守恒方 程或者使用 PDF 模型来解混

4、合分数的守恒方程以及其方差；当流淌是湍流时,仍要解附加 的输运方程；本节所介绍的是层流流淌的守恒方程（在惯性（无加速度）的坐标系中）；后面几节 将会争论热传导、湍流模拟以及组分输运的守恒方程；关于旋转坐标系中的方程将在移动 区域的流淌中介绍；欧拉方程用于解决无粘流淌,将在无粘流淌一节中介绍 质量守恒方程 质量守恒方程又称连续性方程：该方程是质量守恒方程的一般形式,它适用于可压流淌和不行压流淌；源项 S_m 是从 分散的二级相中加入到连续相的质量（比方说由于液滴的蒸发）,源项也可以是任何的自 定义源项；二维轴对称问题的连续性方程为：具体各个变量的意义可以参阅相关的流体力学书籍,其中有具体而具体地

5、介绍；动量守恒方程名师归纳总结 在惯性（非加速）坐标系中i 方向上的动量守恒方程为8 ：第 1 页,共 25 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 其中 p 是静压, t_ij 是下面将会介绍的应力张量,积力和外部体积力（如离散相相互作用产生的升力）；多孔介质和自定义源项；应力张量由下式给出：r g_i 和 F_i 分别为 i 方向上的重力体 F_i 包含了其它的模型相关源项,如上式的物理意义可以参阅流体力学教科书,其中会讲得很清晰；对于二维轴对称几何形状,轴向和径向的动量守恒方程分别为：以及 其中：w 是漩涡速度（具体可以参阅模拟轴对称涡流中漩涡和旋转

6、流淌的信息）热传导FLUENT答应在你模型的流体和/或固体区域包含热传导；本节中所介绍的物理模型和相关输入可以处理从流体内热混合到复合固体的热传导等问题；自然对流问题会在浮力驱 动流淌一节介绍,自然对流与辐射模型将在辐射模拟一节介绍FLUENT 可以推测周期性几何形状的热传导,如密集的热交换器,它只需要考虑单个 的周期性模块进行分析；关于这样流淌的处理,需要使用周期性边界条件,具体可以参阅 周期性流淌和热传导一节；在两个分别的流淌区域解决热传导问题 假如所模拟的流淌包括了两个流体区域,其中被固体区域或者壁面分别开,如下图所 示,你需要更细心的定义问题；主要需要指定：两个流体区域都不行以使用质量

7、出口边界条件 每一个流体区域可以挑选不同的流体材料；（然而对于组分运算,你只能在整个区域 挑选唯独一种混合材料）Figure 1:典型的逆流热交换,在两个流体区域包括了热传导 理论 能量方程FLUENT 所解的能量方程的形式为其中 k_eff 是有效热传导系数（k + k_t, 其中 k_t 是湍流热传导系数,依据所使用的湍流模型来定义）, J_j是组分 j 的扩散流量；上面方程右手边的前三项分别描述了热传导、组分扩散和粘性耗散带来的能量输运；项；在上面的方程中：其中,抱负气体的显焓定义为：对于可压流为：S_h 包括了化学反应热以及其它用户定义的体积热源在方程 5 和 7 中, m_j 是组分

8、 j的质量分数,而且名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 其中 T_ref 为 298.15 K. PDF 模型的能量方程当激活非绝热 PDF 燃烧模型时, FLUENT 解总焓形式的能量方程：假定 Lewis 数为 1,右手边第一项表示传导和组分扩散项；非守恒形式的粘性扩散项的奉献由其次项描述；总焓 H 定义为：其中 m_j 为组分 j的质量分数,而且是在参考温度 T_ref,j 下组分 j 的生成焓包括压力作用和动能项能量方程中的方程 1 包含了不行压流淌中经常忽视的压力作用和动能项；因此,在默认的情形下,分别解算

9、器在解不行压流淌时不考虑压力作用和动能项；假如你期望考虑这些作用,可以使用 define/models/energy.文本命令将所需的项激活；模拟可压流或者使用耦合解算器时,压力作用和动能项总是压考虑的；包括粘性耗散项能量方程中的方程 1 和 PDF 模型的能量方程中的方程 1 包括了粘性耗散项,该项所描述的是粘性剪切所产生的热能；使用分别解算器时,FLUENT 默认的能量方程不包括它（由于粘性热可以忽视）；当 中：D T 为系统温度的差分；Brinkman 数 Br 接近或者大于一,粘性热将会很重要；其你需要考虑粘性耗散项并且使用分别解算器,你需要在粘性模型面板激活粘性热项；对于可压流淌一般

10、有 Br 1；但是需要留意的是,当使用分别解算器时,假如你定义了可压 流淌模型, FLUENT 并不自动激活粘性耗散项；当使用耦合解算器时,所解的能量方程总会包含粘性耗散项；包括组分扩散项能量方程一节中的方程1 和 PDF 模型的能量方程一节中的方程1 包括了由于组分扩散而导致的焓的输运的影响；当使用分别解算器时,在默认情形下,会包含在能量方程一节 的方程 1 中；假如你不想包括它,你可以在组分模型面板中关闭扩散能量源项的选项；当使用非绝热PDF 燃烧模型时,该项并不是显式的显现在能量方程中,由于对于PDF模型的能量方程一节中的方程1 来说,该方程右手边的第一项已经包含了它；当使用耦合解算器时

11、,该项总是包含在能量方程中；由于化学反应产生的能量源项能量方程一节中的方程1 的能量源项S_h 包括了由于化学反应而产生的能量源项：其中 ho_j 是组分 j的生成焓, R_j 是组分 j的体积生成速度；非绝热 PDF 燃烧模型的能量方程中,焓的定义已经包括了能量的生成（见 PDF 模型 的能量方程一节中的方程 5,所以能量的反应源项不包括在 S_h 中； . 由于辐射产生的能量源项当使用某一辐射模型时,能量方程一节中的方程1 和 PDF 模型的能量方程一节中的方程 1 的 S_h 也包括了辐射源项；详情参阅辐射模型一节；相间的能量源项名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 2

12、5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 需要留意的是,能量源项 续相耦合一节将会具体争论；壁面处热传导的边界条件S_h 仍包括连续和离散相之间的热传导；在后面的离散与连壁面处热传导边界条件在标准壁面函数一节中争论；固体区域的能量方程FLUENT 所用的固体区域的能量输运方程的形式为：其中 r =密度h = 显焓（ integral_T_refT c_p dT ）k = 传导系数T = 温度qdot = 体积热源方程 1 左手边的其次项表达了由于固体的平移和旋转而导致的能量对流热传导；速度场 u_i 由指定固体区域的运动运算出来（见固体条件一节）；方程 体内部热传导流量和体积热源

13、的热流量；固体的各向异性热传导1 右手边的项分别是固当使用分别解算器时,FLUENT答应你制定固体材料的各向异性热传导系数；固体的各向异性传导项形式为：其中 k_ij 是热传导系数矩阵；关于固体材料的各向异性热传导系数的制定可以参阅固 体的各向异性热传导系数一节；入口处的扩散 入口处能量的净输入既包括对流部分也包括扩散部分；对流部分由你所指定的入口温 度确定；扩散部分依靠于运算出温度场的梯度；因此扩散部分（相应的净入口输运）不是 提前指定的；在某些情形下,你可能期望指定入口处的能量净输运而不是入口温度；假如你使用分离解算器,你可以通过取消入口能量扩散来实现这一目标；在默认的情形下,FLUENT

14、在入 口 处 会 考 虑 能 量 的 扩 散 流 量 ； 要 关 闭 入 口 扩 散 , 可 以 使 用 文 本 命 令 ：define/models/energy. ；假如你使用耦合解算器,入口扩散选项无法关闭；热传导所需的用户输入 当 FLUENT 模型包含了热传导,你需要激活相关的模型,供应热边界条件,并输入控 制热传导和 /或随温度变化的材料属性；本节将会介绍这些输入；下面将会介绍热传导问题的设定步骤；（留意：本步骤只包括热传导模型设定的必需 步骤,你仍要设定其它的模型,边界条件等；）1. 要 激 活 热 传 导 的 计 算 , 请 在 能 量 面 板 中 打 开 激 活 能 量 方

15、程 选 项 ； 菜 单 ：Define/Models .Energy. ；Figure 1: 能量面板2. 可选,只用于分别解算器假如你模拟粘性流淌,而且期望在能量方程中包括粘性热传导项,请在粘性模型面板中打开粘性热传导项；如包含粘性耗散一节中所述,当使用分别解算器时,FLUENT在默认的情形下会忽视能量方程中的粘性热传导项（假如使用耦合解散器,就会始终包含粘性热传导项；当流体中的剪切应力较大（如：润滑 问题）和 /或速度较高、可压流淌,就应当激活粘性耗散项（见包含粘性耗散项一节中名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - -

16、的方程 1）；菜单 Define/Models/Viscous. 3. 在流淌入口、出口和壁面处定义热边界条件；菜单：Define/Boundary Conditions. ；在流淌的出入口你需要设定温度,在壁面处你可能需要设定下面的某一热条件：指定热流量 指定温度 对流热传导 外部辐射 外部辐射和外部对流热传导的结合 定义壁面处热边界条件一节具体地介绍了掌握热边界条件的模型输入；入口处默认的 热边界条件为指定的温度 300 K；壁面处默认的条件为零热流量（绝热）；关于边界条件 的输入请参阅边界条件一章；4. 定义适合于热传导的材料属性；菜单：Define/Materials. 如物理属性一节

17、所述,必需定义热容和热传导系数,而且你可以指定很多属性为温度 的函数；温度的上下限出于稳固性考虑,FLUENT包括了推测温度范畴的限制；设定温度上下限的目的是为了提高运算的稳固性,从物理意义上说,温度应当处于已知极限的范畴之内；有时候方程 中间解会导致温度超出这些极限,此时就无法很好的定义属性；温度极限保证你的问题的 温度在期望的范畴之内；假如运算的温度超出最大极限,那么所储备的温度就会固定在最大值处；默认的温度上限是5000 K ；假如运算的温度低于最小极限,那么储备的温度就会固定在最小值处；默认的温度下限是 1 K ；假如你所预期的温度超过 Solve/Controls/Limits. ；

18、热传导的解过程5000 K ,你应当使用解限制面板来增加最大温度；菜单：虽然使用 Fluent 默认的解参数可以胜利的解决很多简洁的热传导问题,你仍是可以使用本节所供应的指导方针来加速收敛速度和解的稳固性；能量方程的亚松驰使用分别解算器时,FLUENT可以使用你在解掌握面板所定义的亚松驰参数来处理亚松 驰 能 量 方 程 , 具 体 可 以 参 阅 设 定 松 弛 因 子 一 节 所 介 绍 的 内 容 ； 菜 单 ：Solve/Controls/Solution. ；假如使用非绝热 PDF 模型,你需要像通常一样设定能量亚放松因子,但是你也可以设定温度的亚放松因子,其用法和解焓方程时温度的亚

19、松驰一节所介绍的一样；FLUENT 不会管所解能量方程是温度仍是焓形式,它都会设定默认的亚放松因子为1.0；在能量场影响流体流淌（通过温度相关属性或者焓）的问题中,你应当是用较小的亚放松因子,一般在 0.8 到 1.0 之间；当流场和温度场解耦时（没有温度相关属性或者浮力）,你可以保留放松因子的默认值 1.0；解焓方程时温度的亚松驰当解焓形式的能量方程时（即当你使用非绝热PDF 燃烧模型时）,FLUENT 也对温度进行亚松驰,也就是说,只是用焓（亚松驰）变化对应的温度变化的某一分数来更新温度场；当你期望焓场变化较快时,二层的亚松驰很有用,只是温度响应比较之后,相应的温度对流场的影响也会滞后；F

20、LUENT 对于温度的亚松驰默认设定为1.0,此设定使用解掌握面板来实现；屏蔽组分扩散项假如使用分别解算器来解决组分输运,而且遇到了收敛困难,你应当考虑在组分模型名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 面板中关闭扩散能量源项；菜单：Define/Models/Species. ；当改选项关闭时,FLUENT会忽视能量方程的组分扩散影响；留意：当使用耦合解算器时组分扩散影响总会被考虑到的；步进解 最为有效的推测热传导策略是先运算等温流淌然后加入能量方程的运算；步骤稍有不 同,主要取决于流淌和热传导是否耦合；假如流淌和热传导

21、是解耦的（没有温度相关属性或浮力）,你可以第一解等温流淌（关闭能量方程）来产生收敛的流场解,然后单独解能量输运方程；留意：由于耦合解算器总是一起解流淌和能量方程,所以单独解能量方程只应用于分 离解算器；你可以在解掌握面板中的方程列表中取消能量选项来临时关闭流淌方程或者能量方程（请参阅步进解一节）；菜单：Solve/Controls/Solution. ；假如流淌和热传导是耦合的（也就是模型中包括温度相关属性或浮力）,你可以在打 开能量方程之前第一解流淌方程；一旦你有了收敛的流场解,你就可以打开能量选项然后 同时解流淌和能量方程完成热传导的模拟；热传导的报告FLUENT 为热传导模拟供应了附加的

22、报告选项；你可以生成图形或者报告下面的变量 或函数：静温 总温 焓 相对总温 壁面温度（内部表面）壁面温度（外部表面）总焓 总焓误差 熵 总能量 内能 表面热流量 表面热传导系数 表面努塞尔（ Nusselt）数 表面斯坦顿（ Stanton）数 上面所示的前 11 个变量包含在后处理面板中的变量挑选下拉列表的温度类别中,剩下 的变量在壁面流量类别中；关于它们的定义可以参阅流场函数定义一节；在报告和显示中焓与能量的定义 焓与能量报告值的定义是不同的,它取决于流淌可压与否；完全的定义请参阅流场变 量及其定义的列表；报告通过边界的热传导 你可以使用流量报告面板来运算通过每一个边界的热传导或者将通过

23、全部边界的热流 量加起来来检查热平稳；菜单：Report/Fluxes. ；举荐检查热平稳以确认你的解是收敛的；关于流量报告的生成请参阅通过边界的流量 一节；报告通过表面的热传导名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 你可以使用曲面积分面板（在曲面积分一节介绍）来运算通过任何边界的热传导或者 运算通过曲面的热传导,这个曲面可以在显示和报告曲面数据一节中介绍的方法来创建；菜单： Report/Surface Integrals. ；要报告焓的流速在曲面积分面板挑选流淌速度选项,挑选焓（在温度类别中）作为流场变量,然后挑选需

24、 要积分的一个或多个曲面；报告平均热传导系数曲 面积 分面 板仍 可以报告在曲 面上 的平 均热传导系数h, 菜单 ： Report/Surface Integrals.；在曲面积分面板中挑选平均选项,挑选曲面热传导系数（在壁面流量类别中）作为流 场变量然后点击相应的曲面；浮力驱动流淌和自然对流当加热流体,而且流体密度随温度变化是,流体会由于重力缘由的而导致密度的变化；这种流淌现象被称为自然对流（或者混合对流）,理论Fluent 可以模拟这种流淌；可以用 Grashof 数 Reynolds 雷诺数的比值来度量浮力在混合对流中的作用：当这个数接近或者超过一,你应当考虑浮力对于流淌的奉献；反之,

25、你就可以忽视浮力的影响；在纯粹的自然对流中,浮力诱导流淌由瑞利数（Rayleigh ）度量：其中热膨胀系数为：热扩散系数为：Rayleigh 数小于108 说明浮力诱导为层流流淌,当瑞利数在108 到 1010 之间就开头过渡到湍流了；Boussinesq 模型对于很多自然对流流淌,你可以用Boussinesq 模型来得到更好的收敛速度,它要比设定密度为温度的函数来解决问题收敛得快；除了动量方程的浮力项之外,该模型在全部解 决的方程中将密度看成常数；动量方程为：其中 r_0 是流淌的常数密度,T_0 是操作温度, b 是热扩散系数；上面的方程是通过Boussinesq 近似等于 r_0 1 -

26、 b D T来排除浮力项中的 r 得到的；只要真实密度变化很小,该近似是很精确的 . 使用 Boussinesq 模型的时机在封闭区域使用 Boussinesq 模型来运算时间相关自然对流是很必要的；假如温度变化很小,该模型也可以用于定常问题；Boussinesq 模型不能用于组分,燃烧和反应流淌的运算；浮力驱动流淌的用户输入在混合或自然对流中,你必需供应下面的输入来考虑浮力问题：名师归纳总结 1.在能量面板中打开能量方程选项；菜单：Define/Models/Energy. ；第 7 页,共 25 页2. 在操作条件面板（下图）中打开重力选项,并在每一个方向上输入相应的重力加速度- - -

27、- - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 数值；菜单： Define/Operating Conditions Figure 1: 操作条件面板留意, FLUENT 中默认的重力加速度为零3. 假如使用不行压抱负气体定律,要在操作条件面板中检查操作压力的数值（非零值）；4. 下面的选项取决于你是否使用 Boussinesq 近似：假如不使用 Boussinesq 模型,输入如下：1. 必要的话在操作条件面板中激活操作密度选项,然后指定操作密度,具体设置可以参阅定义操作密度一节；2. 定义流体密度为温度的函数,具体可以参阅使用温度相关函数和密度定义属性一节；菜单： Defi

28、ne/Materials. ；假如使用 Boussinesq 模型,输入如下：1. 在操作条件面板中指定操作温度（Boussinesq 模型一节中方程 1 的 T_0）2. 挑选 Boussines方法来运算在使用材料面板中的密度（具体可以参阅使用温度相关函数和密度定义属性一节）；3. 仍是在材料面板中,设定热扩散系数并指定常数密度；留意：假如模型包括多种材料,对于每一个材料你都可以挑选是否使用 Boussinesq 模型；因此你可以对某些材料使用 定步骤都和上面所介绍的一样；Boussinesq 模型其它的可以不使用；关于每一个材料的设5. 在压力入口和出口边界处的你所输入的边界压力是重新定

29、义的压力,该压力由操作密FLUENT度的定义一节中的方程3 给出；一般说来,假如没有外部强加的压力梯度,模 型 在 入 口 和 出 口 边 界 处 的 压 力 Conditions. ；p 应 该 是 相 等 的 ； 菜 单 ： Define/Boundary 6. 在解掌握面板中,挑选加权的体积力或者二阶方法作为压力的离散方法；菜单：Solve/Controls/Solution. ；你需要在近壁面增加单元以解决边界层问题；假如你使用四边形或六面体网格并使用分别解算器,举荐挑选 散方法；也可以参阅热传导运算设定所需的用户输入；操作密度的定义PRESTO. 作为压力的离当不使用 Boussin

30、esq 近似时,操作密度 r_0 在动量方程中显现在体积力一项中：该种形式的体积力项遵从FLUE T 中压力的重定义：这样,静止流体可以保证静压平稳变成：因此,在全部的浮力驱动流淌中,参考密度的定义都是很重要的；在默认的情形下,FLUENT会通过对全部单元取平均来运算操作密度；在某些算例中假如你明确指定操作密度而不是让解算器来运算密度,你可能会得到更好的结果；比方说,假如你用压力边界条件解自然对流问题,知道你所指定的压力是方程中的 p_s是很 重要的；即使你知道真实压力 p_s,你仍是需要知道操作密度 r_0 ,以便于从 p_s 确定 p_s；因此,你应当明确定义操作密度而不使用运算的平均值；

31、但无论如何你所指定的密名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 度都应当是对平均值的描述；在某些情形下,指定操作密度会提高解的收敛性而不会改善实际的结果；对于这种情况,使用近似 bulk 密度值作为操作密度,并保证你所选的值对于区域的特点温度是合适的；留意：假如你使用 Boussinesq 近似,就不会使用操作密度了,所以你也不必指定它；浮力驱动流淌的解策略对于高瑞利数流淌,你需要考虑下面的解决方针；除此之外,在解决其它热传导问题的处理过程中所介绍的指导原就也可以用于浮力驱动流淌；但是,需要留意的是对于高瑞利数的某些层流流

32、淌是没有定常解存在的；解决高瑞利（ Rayleigh ）数流淌的方针对于高瑞利数流淌 Ra 108 ,为了得到最好的结果你应当遵循下面所介绍的某一处理程序：第一个程序使用定常状态方法：1. 开头解决时使用较低的瑞利数（如：107）,然后使用一阶格式运行直到收敛；2. 转变有效瑞利数,转变重力加速度的数值（如：从改为来使瑞利数削减两个量级）3. 使用上面的结果作为高瑞利数流淌的初始推测,然后用一阶格式开头高瑞利数流淌的运算；4. 用一阶格式获得解之后,你可以采纳高阶格式连续运算；其次个程序使用时间相关方法来猎取定常解 62 ：1. 使用相同或较低瑞利数时得到的定常状态解开头运算；2. 估量时间常

33、数为 14 ：其中 L 和 U 分别是长度和速度；使用时间步长 D t：假如使用更大的时间步长 D t 可能会导致发散；mp 3. 当频率 f t = 0.05-0.09 的振动衰减之后,就达到了定常状态；留意,t 是方程中估量的时间常数,是单位为的振动频率；一般说来,要达到定常状态一般要进行个时间步；留意：除非使用 Boussinesq 近似,否就非定常方法不能用于封闭区域；它总是用于具有入口和出口的区域；浮力驱动流淌的后处理浮力驱动流淌的后处理报告和其它热传导运算的报告一样；详情请参阅热传导的报告一节周期性流淌和热传导周期流是指流淌和热的解具有周期性重复的特点；周期性流淌分两种：一种是在周

34、期性平面内没有压降的周期流；其次种是流向周期流；本解争论流向周期流以及周期性热传导,关于没有压降的周期流请参阅周期性边界条件一节；引言FLUENT 供应流向周期流的运算；这种流淌具有广泛的应用,如热交换管道以及通过水箱的管流；在这些流淌模式中,几何形状沿流淌方向上具有重复性的特点,从而导致了周期性完全进展的流淌；这些周期性条件在足够的入口长度后就会形成,具体与雷诺数和几何形状有关；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 流向周期流会在足够长度 定的压降；下图就是一例；L 之后形成,在流向的每一个重复流淌模式之间会有一个一

35、Figure 1: 二维热交换几何形状的周期性流淌例子 交换的几何形状 当壁面是常温或者热流肯定时会产生周期性热条件；在这一问题中,温度场是周期性 进展的；至于周期性流淌,分析这类问题可以将数值模型限制为单一模块或者周期性 章度；使用流向周期性流淌和热传导的限制：流淌必需不行压 几何形状必需是平移性的周期 用耦合解你只能指定压力跳动,分别解可以指定压力跳动或者流速；在流淌入口和出口没有质量的增加,外部源项或者离散相源 只能模拟出入口所包括的组分（没有质量的净增加）,不答应有反应流 不答应离散相和多项流模型 周期性热传导的特殊限制：必需使用分别解 热边界条件必需指定热流或者壁面温度常数；而且在特

36、定的问题上这些边界类型不能 结合在一起：对于常温算例,全部壁面温度必需是相同的,在壁面流量中,不同的热 流必需区分为不同的壁面；在有固体的区域不行以横跨周期性平面 热动力学和流体的输运性质（比热容,热传导系数,粘性系数,密度）不能是温度的 函数,因此不行以模拟化学反应流；然而输运性质可能会以周期性的方式变化,这就 答应你模拟周期性湍流,在这种周期性湍流流淌中,输运性质（有效热传导系数,有 效粘性系数）随着湍流流场变化；周期流模拟程序概述 考虑流向周期性流淌和热传导的典型运算分两个部分；第一是不考虑温度场的速度场 运算,然后固定速度场来运算温度场；步骤如下：2. 设定流向周期性边界条件网格 3.

37、 输入热力学常数和输运常数 4. 通过周期性边界条件指定周期性压力梯度以及净质量流速 5. 运算周期性流场,运算动量方程、连续性方程以及湍流方程（可选）6. 指定壁面热边界条件：温度或热流 7. 定义入口温度 8. 解能量方程推测周期性温度场 下面具体介绍 流向周期性流淌 理论 对于位置矢量,周期性假定有如下形式其中 L 是所考虑区域的周期长度矢量 在方程 1 中压力不是周期性的；取而代之的是,模块之间的压降是周期性的：名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 假如使用某一耦合解算器,D p 被指定为常值；对于分别解算器

38、,区域内每一位置的压力梯度可以分解为两个部分：周期性部分的梯度.p r,以及线性变化部分的梯度b L/|L| ：周期性压力 p r减去线性变化的压力而得到的压力；压力的线性变化部分 b |r|在动量方程中对流体有一作用力；由于b 的值无法提前预知,所以必需迭代直到达到在运算模型中你所定义的质量流速为止；B 的修正是在SIMPLE, SIMPLEC, 或 PISO 算法的修正步中实现的,其修正是基于所需质量流和实际质量流之间的差值的；你可以掌握子迭代的次数 来更新 b,具体可以参阅使用分别解算器运算流向周期性流淌所需用户输入一节；使用分别解算器运算流向周期性流淌的用户输入 假如使用分别解算器,为

39、了运算出具有指定质量流速和压力导数的空间周期性流淌,你必需创建具有平移性周期边界的网格,该网格中的单元相互平行且尺寸相等；你可以在周期性面板中指定平移性周期,具体可以参阅周期性边界条件一节；（假如想要创建周期 性边界请参阅创建周期性区域一节）；读入网格之后,你需要在周期性条件面板 Define/Periodic Conditions. ；Figure 1 中完成下面的输入；菜单：Figure 1: 周期性条件面板 1. 挑选指定质量流速选项或者指定压力梯度选项；对于大多数问题,通过周期性边界的 质量流速是已知的,假如质量流速未知,压力梯度也将会是已知的量；2. 指定质量流速和/或指定压力梯度：

40、假如指定质量流速,请输入相应的数值；你仍可以输入出示压力梯度的推测值,但不是必需的；需要留意的是,对于轴对称流淌,质量流淌速度是每 2p 的质量流 速假如指定压力梯度,请输入压力梯度的数值；3. 在流淌方向框中分别输入X ,Y 和 Z 的值作为方向矢量；此是流淌就会从起始点沿着指定的方向到达指定点；流淌方向必需是平行于周期性平移方向或者反向；4. 假如在第一步中挑选质量流速,请输入运算b 的相应的参数；这些参数的输入可以参阅使用分别解算器运算流向周期性流淌的用户输入一节；完成上述输入之后,你就可以运算周期性速度场直到收敛了；假如指定质量流速,FLUENT需要运算压力梯度b 的适当值；你不行以通

41、过指定放松因子、迭代次数或压力梯度初始推测值来掌握压力梯度的运算；全部的这些输入都在周期性条件面板中完成；迭代次数设定了压力校正方程中校正b 的子迭代次数；由于b 的值无法预先知道,所以在运算模型中,你必需在定义的质量流速运算之后才会完成b 的迭代； B 的校正显现在SIPLE 或者 SIMPLEC 算法的压力校正步中；对 b 的当前值的校正是基于预期质量流速和实际质量流速之间的差值的；此出涉及的子迭代是在压力校正步中完成的,目的是为了提高在解校正方程获得压力（和速度）校正值之前提高b 的校正质量；默认的子迭代次数为2,它可以满意大多数问题,但是可以增加它以猎取快速的收敛；放松因子在此处是压放

42、松 因子,它掌握了迭代过程的收敛；你可以在压力梯度框中输入推测的初始压力梯度来提高周期性运算的收敛速度；假如你完成了任何运算,这个框会显示当前的 点击更新按钮；b 值；要用当前的数值更新压力梯度框,你可以名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 使用耦合解算器运算流向周期性流淌的用户输入 假如你使用某一耦合解算器,为了运算具有指定压力跳动的空间周期性流场,你第一 要创建具有平移性边界条件的网格,这些网格相互平行,尺寸相等；（假如需要创建周期 性边界,请参阅创建周期性区域一节）；然后遵循如下步骤：1. 在边界条件面板中打开

43、周期性面板Figure 1,挑选平移性周期（默认）；菜单：Define/Boundary Conditions. ；Figure 1:周期性面板2. 在周期性面板中设定周期性压力跳动D p；完成上述输入可以开头运算直至收敛；检测压力梯度的值 假如指定质量流速,你可以在解的过程中监视压力梯度的数值；具体方法：打开静态 监视面板,挑选 per/pr-grad 作为监视变量；详情请参阅静态监视一节；流向周期性流淌的后处理 速度和压力场的结果应当完全是周期性的；假如用耦合解算器运算周期性流淌,压力 p 的报告；假如使用分别解算器,FLUENT 所报告的压力场将会是 场的报告将是真实压力 方程 5 中的

44、周期性压力场 p r ；下图显示的是概述一节中的几何图形中的周期性压力场；假如指定质量流量并要 压力梯度（ b）的当前值；FLUENT 运算压力梯度,你可以在周期性条件面板中查找流向Figure 1: 二维热交换几何图形的周期性压力场推测 指定温度边界条件的周期性热传导FLUENT 可以解决两类热传导问题：与常数温度壁面具有热交换的流向周期性流淌是 FLUENT 可以解决的一种周期性热传导问题；另一种可以解决的是具有指定壁面热流量的 流淌,具体可以参阅具有指定热流量条件的周期性热传导一节；留意：只有在使用分别解算器时才可以模拟周期性热传导；常数壁面温度条件的周期性热传导方程 对于常数壁面温度,当流体通过周期性区域时,其温度接近壁面边界的温度；但是温 度可以用具有周期