发布时间 : 星期日 文章fluent边界条件（一）更新完毕开始阅读
流过粗糙表面的流体会有各种各样的情况。比如流过机翼表面、船体、涡轮机、换热器以及管系统的流动，还有具有各种粗糙度的地面上的大气边界层。壁面粗糙度影响了壁面处的阻力、热传导和质量输运。
如果你是在模拟具有壁面限制的湍流流动，壁面粗糙度的影响是很大的，你可以通过修改壁面定律的粗糙度来考虑避免粗糙度影响。
粗糙管和隧道的实验表明了当用半对数规则画图时，近粗糙壁面的平均速度分布具有相同的坡度(1/k)但是具有不同的截止点(在对数定律中附加了常数B)。对于粗糙壁面，平均速度的壁面定律具有的形式为：
upu*?w??u*yp????B ?ln?E???????1其中u^* = C_m^1/4k^1/2；?B是粗糙度函数，它衡量了由于粗糙影响而导致的截止点
的转移。一般说来，?B依赖于粗糙的类型(相同的沙子、铆钉、螺纹、肋、铁丝网等)和尺寸。对于各种类型的粗糙情况没有统一而有效的公式。然而，对于沙粒粗糙情况和各种类型的统一粗糙单元，人们发现?B和无量纲高度K_s ^+ = r K_s u^*/m具有很好的相关性，其中K_s 是物理粗糙高度u^* = C_m^1/4k^1/2。实验数据分析表明粗糙函数?B并不是K_s^+的单值函数，而是依赖于K_s^+的值有不同的形式。观察表明有三种不同的类型： ? 液体动力光滑(K_s^+ < 3 ~ 5) ? 过渡区(3 ~ 5 < K_s^+ < 70 ~ 90) ? 完全粗糙(K_s^+ > 70 ~ 90)
根据上述数据，在光滑区域内粗糙度的影响可以忽略，但是在过渡区域就越来越重要了，在完全粗糙区域具有完全的影响。
在FLUENT中，整个粗糙区域分为三个区域。粗糙函数?B的计算源于Nikuradse's数据[27]基础上的由Cebeci和Bradshaw提出的公式：
对于液体动力光滑区域(K_s^+ < 2.25)： ?B?0
对于过渡区(2.25 < K_s^+ < 90)：
?Ks??2.25??B?ln??CKsKs???sin0.4258lnKs??0.811??87.25?1????
其中C_K_s为粗糙常数，依赖于粗糙的类型。 在完全粗糙区域(K_s^+ > 90)：
?B?1?ln1?CKsKs?
??在解算器中，给定粗糙参数之后，粗糙函数?B(K_s^+)用相应的公式计算出来。方程1中的修改之后的壁面定律被用于估计壁面处的剪应力以及其它的对于平均温度和湍流量的壁面函数。
要模拟壁面粗糙的影响，你必须指定两个参数：粗糙高度K_s和粗糙常数C_K_s。默认的粗糙高度为零，这符合光滑壁面。对于产生影响的粗糙度，你必须指定非零的K_s。对于同沙粒粗糙情况，沙粒的高度可以简单的被看作K_s。然而，对于非同一沙粒平均直径(D_50)应该是最有意义的粗糙高度。对于其它类型的粗糙情况，需要用同等意义上的沙粒粗糙高度K_s。
适当的粗糙常数(C_K_s)主要由给定的粗糙情况决定。默认的粗糙常数(C_K_s = 0.5)是用来满足在使用k-e湍流模型时，它可以在具有同一沙粒粗糙的充满流体的管中再现Nikuradse's阻力数据。当你模拟和同一沙粒粗糙不同的情况时，你就需要调解粗糙常数了。例如，有些实验数据表明，对于非同一沙粒、肋和铁丝网，粗糙常数(C_K_s = 0.5 ~ 1.0)具有更高的值。不幸的是，对于任意类型的粗糙情况还没有一个清楚的选择粗糙常数C_K_s的指导方针。 需要注意的是，要求邻近壁面单元应该小于粗糙高度并不是物理意义上的问题。对于最好的结果来说，要保证从壁面到质心的距离要比K_s大。
定义壁面的组分边界条件
FLUENT默认所有的组分在壁面处具有零梯度条件（除了参加表面化学反应的组分），但是可以指定壁面处的组分质量分数。也就是如同在入口处指定的Dirichlet边界条件，也可以用于壁面。
如果你希望保留默认的零梯度条件，你就不必输入任何东西了。如果你希望指定壁面处的组分质量分数，步骤如下：
1. 在壁面面板的组分边界条件中，选择组分名字右边的下拉列表指定的质量分数（而不是零梯度），此时面板会扩展为包含组分质量分数的对话框。
Figure 1: 组分边界条件输入的壁面面板 2. 输入相应的组分质量分数。
每一组分的边界条件类型是分别指定的，所以对于不同的组分你可以采用不同的方法。 注意：如果在湍流流动中你使用组分的Dirichle条件，FLUENT就不会是用壁面函数来计算壁面处的组分扩散流量。
定义壁面的反应边界条件
如果你在组分模型面板中激活了表面反应的模拟，你就可以表明在壁面处表面反应是否被激
活。激活或关闭表面反应，壁面面板就会相应地打开或关闭表面反应选项。 注意：组分在壁面处是假定为零梯度条件的，它不参加任何表面反应。
定义壁面的辐射边界条件
如果你打算使用P-1辐射模型、DTRM或者DO模型，你就需要设定壁面的（内部）发散率以及（可选）黑体温度。详情请参阅设定边界条件一节(Rosseland不需要任何边界条件的输入，因为FLUENT假定发射率为1，如果你使用DO模型你也要定义壁面为漫反射、镜面反射或者半透明，详情请参阅设定辐射边界条件)
定义壁面的离散相边界条件
如果你是在模拟粒子的离散相，你就可以在壁面处设定粒子轨道详情请参阅离散向模型的边界设定。
壁面边界的默认设定
默认热边界条件为固定的热流为零，壁面默认为不移动。
壁面处的剪应力计算程序
对于非滑移壁面条件，FLUENT使用邻近壁面或者流体边界的流动性质来预测壁面处流体的剪应力。在层流流动制，这一计算简单地依赖于壁面处的速度梯度，在湍流流动中则使用壁面限制湍流流动的近壁面处理方法。
对于指定剪切的壁面， FLUENT会在边界处计算切向速度。 如果是无粘流动，所有的壁面都使用滑移条件，所以它们是无摩擦的而且对邻近流体单元不施加剪应力。
层流中的剪应力计算
在层流流动中壁面剪应力和法向速度梯度的关系为：
?w???v ?n当壁面处的速度梯度很大时，你必须保证网格足够精细，这样才能解出边界层的精确结果。层流流动中近壁面节点放置的指导方针在节点密度和节点束中介绍。
湍流中的剪应力计算
湍流流动的壁面处理，在壁面限制的湍流流动的近壁面处理一节中叙述。
壁面边界的热传导计算
温度边界条件
当在壁面处应用固定温度条件，从流体单元到壁面的热传导，由下式计算：
?? q???hf?Tw?Tf??qrad其中：
h_f =流体边界当地热传导系数 T_w =壁面表面温度 T_f =当地流体温度
q^\壁面处传来的对流热流量 q^\辐射热流量
注意：流体边界热传导系数是基于当地流场条件计算得来的（比如说湍流层次、温度以及速度轮廓），请参阅流体边界热传导计算一节的方程1，以及标准壁面函数9。 从固体单元到壁面边界的热传导公式为： q???kn?? ?Tw?Ts??qrad?n其中：
k_s =固体的热传导率 T_s =当地固体温度
D n =壁面表面和固体单元中心的距离。
热流边界条件
当你在壁面处定义热流边界条件时，你需要在壁面表面指定热流量。FLUENT使用温度边界条件中的方程1，然后你就可以输入热流量来确定邻近流体单元的壁面表面温度：
??q???qradTw??Tf
hf其中，流体边界热传导系数已经在温度边界条件中叙述了，它是基于当地流场条件计算得到的。当壁面和固体区域交界时，壁面表面的温度为：
Tw?????n?q???qrad?T
kns上述两式的变量请参阅温度边界条件一节。
对流热传导边界条件
当你在壁面处指定对流热传导系数作为边界条件时，FLUENT使用你所输入的外部热传导系数以及外部热沉（heat sink）温度来计算到壁面的热流量：
???hext?Text?Tw? q???hf?Tw?Ts??qrad其中：
h_ext =你所定义的外部热传导系数 T_ext =你所定义的外部热沉温度 q^\=辐射热流量
上述方程假定壁面零厚度。