CFX中的Opening边界

2014-06-10 09:05阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1503498154

最近涉及到一个关于射流卷吸的案例，为边界条件伤透了脑筋，后来发现CFX中居然有现成的边界类型。案例如下图所示，1为主流射入边界，2为出口边界，3边界情况未知。由于1边界的射流作用，气体可能会从3边界吸入计算域，吸入量及吸入方向均未知。对于这类物理现象比较简单的问题，采用CFD软件进行计算时却遇到了难题。

困难的地方来自于边界3的边界条件确定上。对于常见的CFD软件，通常边界条件包括速度入口、压力入口、压力出口、对称边界、壁面边界等等。好，对于这些边界类型，我们来逐个看看。
1、能否使用速度入口？原则上是可以，取决于是否能够精确测量边界位置的速度，若有精确实验数据也未尝不可。但是实际上这些位置的测量相当麻烦，而且这些位置的速度大小及方向分布与边界1紧密相关，似乎不好办。而且，仿真的目的是为了获取射流卷吸的流量，若是这些速度已知了，那仿真似乎也成了多余的了。
2、压力入口可以否？理论上也是可以的，和1

类似也是需要精确的压力分布，因为压力入口输入的是总压，实际上还是涉及到速度。
3、压力出口呢？压力出口输入的是静压，看起来似乎可行。但是根据物理条件，边界3上应该是流入而非流出，指定3上的静压会产生严重的回流，而且还会导致计算发散。
4、壁面边界可以否？看起来是可以，不过需要将计算域建得非常之大才行。对于我的案例，取30倍特征尺寸仍然难以接受，而且对于卷吸量的后处理非常困难（由于质量守恒，出口的流量始终等于入口的流量）
5、对称边界可以么？在一些情况下对称边界可以用于替代壁面边界，这个和4差不多，就省了。
现在想要有一种边界类型，可以在预先不知道边界条件的情况下，通过内部流场迭代计算得到边界信息，根据迭代的压力自动决定流体的进入和流出。事实上，CFX中提供的Opening边界类型可以起到这样的效果。
在CFX的边界类型中，有一种类型称之为'Opening'，意为'开放边界'。其边界设置如下图所示。

该边界条件包含了几种Mass And Momentun选项，如图所示共包含了5种类型。
（1）Opening Pres. And Dirn（开放压力及方向）
选择此选项后，设置面板如下图所示。

在该类型中，需要设置开放的静压Relative Pressure以及Flow Direction，其中流动方向设置有三种方式：Normal to Boundary Condition（边界法向）、Cartesian Components（笛卡尔分量）、Cylindrical Components（圆柱分量）。
选用此类型时，当边界流动方向为流入计算域时，输入的相对压力被当作为基于边界法向速度分量的总压；当流动方向为流出计算域时，相对压力被作为相对静压值。
对于指定压力的开放边界，采用此种方式为最为稳健也是最为稳定的方式，因为此种边界条件为动量传输施加了约束。
（2）static Pres. And Dirn（静压及方向）

在这一类型中，需要输入相对压力及指定方向。
选用此类型时，无论边界是流入还是流出，所指定的Relative Pressure均被当做静压值。因此在边界为流入条件时，由于边界缺乏约束，容易导致严重的稳定性问题。
（3）Entrainment（卷吸）

当选用此边界时，存在两类压力选项：Opening Pressure及Static Pressure。
当使用static Pressure选项时，其效果类似于static pressure and direction选项，但是方向是通过强制垂直于边界的速度梯度为0而获取。
当使用Open Pressure选项时，其行为类似于Opening Pres. And Dirn，而且不需要指定压力方向。该选项具有与指定开放压力边界相同的稳定性和稳健性。流体求解器基于速度场方向局部计算流动方向。
若不选择pressure option，则默认选择static pressure。
Entrainment选项适合于计算射流卷吸、边界条件位置的情况。
（4）Cart. Vel. Components

指定边界上速度笛卡尔分量，这一条件与inlet边界相同。但是分量可以是流入或流出计算域。
（5）Cyl. Vel. Component

与笛卡尔速度分量方式相类似，只不过指定是柱坐标速度分量，另外还需要指定旋转方向。

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