Fluent出入口边界条件设置及实例解析

问：用了很长时间的fluent，但一直没有把压力出入口边界条件弄明白。请大侠给予正确指导... 有的文档说亚声速流下initial是0或者不填，而有的出版物则把total和initial设置成几乎想等的值，或者差值为大气压，很困惑！ 比如说在一个喷射（亚声速流）流场中，实际条件为喷嘴入口压力40MPa，出口压力20MPa，即流场内围压20MPa，这时，在压力入口边界条件的总压、初始表压以及压力出口的表压分别应该设置多少？如果是超声速流，又有什么区别？ 还有，operating condition下的operating pressure是否设置成0或者大气压有什么说法吗？

A：有的出版物则把total和initial设置成几乎想等的值。 我在使用时一般也是采用这样的方法，严格来讲是有公式来计算的。但是这个值一般只是用于初始化，对结果影响不大，所以简单来讲就设置成和出口的一样。 这个值对流场的初始化有一定的影响，设置成0也不是不可以，但会增加迭代步数。 对于喷射而言，建议lz将operating condition下的operating pressure设置为0 ，即是绝对压力。

二 最近用Fluent做模拟的时候一直在使用压力出口边界，对其中出口温度、组分浓度等值的设置不是很明白，就仔细看了下Fluent User Guide，对压力出口边界描述如下：

Pressure outlet boundary conditions require the specification of a static (gauge) pressure at the outlet boundary........All other flow quantities are extrapolated from the interior。因此，压力出口边界可以这样表述，即，给定出口压力，对流动中的其他物理量均有流场内部值差值得到。

那边界条件面板中设定的温度（等）值有什么用呢？ 是出现回流时的回流值。

三 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。 四 FLUENT中存在很多种压力，包括参考压力Pref，绝对压力Pabs，相对压力Prel，表压 Pgauge

，总压

Ptotal，动压Pdynamic，静压Pstatic，大气压Patm等。这里以一个实例来说明这些压力关系。

静压是指气流在流动过程中实际存在的一种压强。它应该是压强感受器随气流一起运动时（即与气流无相对运动）所测出来的压强。

1 流体在静止时所产生的压力。 2 流体在流动时产生的平行于流体运动方向的压力。 3流体中不受流速影响而测得的表压力值。

这些压力之间的关系： 𝑝𝑎𝑏𝑠=𝑝𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐+𝑝𝑟𝑒𝑓 绝对压力，是静压和参考压力之和 𝑝𝑎𝑡𝑚=𝑝𝑔𝑎𝑢𝑔𝑒+𝑝𝑟𝑒𝑓 参考压力与表压之和为当地大气压 （错误？？？） 𝑝𝑎𝑏𝑠=𝑝𝑔𝑎𝑢𝑔𝑒+𝑝𝑎𝑡𝑚

绝对压力=表压力+大气压力

𝑝𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=𝑝𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐+𝑝𝑑𝑦𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐 总压是静压与动压之和(二者可以互变) 𝑝𝑑𝑦𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐=(𝜌∗𝑣2)/2 在fluent中会出现这么几个压力： Staticpressure（静压）Dynamicpressure（动压）Totalpressure（总压） 这几个压力是空气动力学的概念,它们之间的关系为:

Totalpressure（总压）=Staticpressure（静压z）+Dynamicpressure（动压） 滞止压力等于总压(因为滞止压力就是速度为0时的压力,此时动压为0.) Staticpressure（静压）就是你测量的，比如你现在测量空气压力是一个大气压

而在fluent中，又定义了两个压力： Absolutepressure（绝对压力）Relativepressure（参考压力） 还有两个压力 operatingpressure（操作压力）gaugepressure（表压） 它们之间的关系为: Absolutepressure（绝对压力）=operatingpressure（操作压力）+gaugepressure（表压） 上面几个压力实际上有些是一一对应的，只是表述上的差别，比如： Staticpressure（静压）gaugepressure（表压） 定义操作压力

对于可压缩流动：把操作压力设为0，把表压看作绝对压力