fluent中的压力

在根据压力入口条件初始化求解时,Supersonic/Initial Gauge Pressure(静压)与 Gauge Total Pressure(滞止压力)一起根据等熵关系(可压流)或者伯努利方程(不可压缩流)计算初始值。否则,Supersonic/Initial Gauge Pressure在不可压缩流计算中输入被忽略。


Static pressure(静压) 

Dynamic pressure(动压)

Total pressure(总压)
它们之间的关系为:
Total pressure(总压)= Static pressure(静压) + Dynamic pressure(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.)
Static pressure(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:
Absolute pressure(绝对压力)    

Relative pressure(参考压力)
还有两个压力:
operating pressure(操作压力)        

gauge pressure(表压)
它们之间的关系为:
Absolute pressure(绝对压力)= operating pressure(操作压力)  + gauge pressure(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:
Static pressure(静压)  gauge pressure(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;
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可压缩性流动的描述—滞止状态

    气流的速度从某一状态绝热等熵地降到速度为零的状态称为(该状态的)滞止状态;在滞止状态下,气体的内能达到最大,压强、温度等参数也达到最大,滞止状态下的参数称为滞止参数。

    滞止压力和滞止温度也分别称为总压(P0)和总温(T0)

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1.如果入口流是超音速或想根据压力入口边界条件初始化求解,则要指定静压(supersonic/Initial Gauge Pressure),静压是与操作压力有关的。当流体是亚音速时,静压被忽略,静压值将从指定的滞止数量计算得出。

2.对于不可压缩流:P0=Ps+1/2*ρ|υ|^2 (总压=静压+动压)

 对于可压缩流体:p0=ps(1+(γ-1)/2*M^2)^(γ/(γ-1))

  p0=总压

  ps=静压

  M=马赫数

  γ=比热比(定压比热/定容比热)

 
 
<think>我们正在讨论的是在Fluent中如何调整压力入口和压力出口边界条件以保证低雷诺数计算的问题。低雷诺数流动通常指层流状态,雷诺数$Re$定义为: $$ Re = \frac{\rho U L}{\mu} $$ 其中$\rho$为流体密度,$U$为特征速度,$L$为特征长度,$\mu$为动力粘度。 从引用[1]中我们了解到,在Fluent的pressure far field边界条件中,可以通过改变入口总压(gauge pressure)来间接改变来流密度(因为对于可压缩流动,密度与压力相关),从而调整雷诺数。但对于不可压缩流,密度通常是常数,调整雷诺数主要依靠改变速度、粘度或特征长度。 在Fluent中,设置低雷诺数流动(即层流)需要确保整个流场的雷诺数低于临界值(通常$Re<2300$为管流层流)。通过压力入口(pressure-inlet)和压力出口(pressure-outlet)边界条件调整以实现低雷诺数的关键在于: 1. **降低流速**:通过减小压力入口和压力出口之间的压差来降低流速,因为$Re \propto U$。 2. **调整流体物性**:增加流体粘度$\mu$或降低密度$\rho$(但密度通常由流体种类决定,不可轻易改变)。 3. **改变特征长度**:在几何模型已定的情况下,特征长度固定,因此这不是一个可调整的参数。 下面详细说明具体步骤: ### 1. **设置压力入口边界条件(pressure-inlet)** - **总压(Gauge Total Pressure)**:设置一个较低的值,例如0 Pa(表压),这样与压力出口的压差较小,流速降低。 - **湍流参数**:对于低雷诺数层流,湍流强度(Turbulent Intensity)和湍流粘度比(Turbulent Viscosity Ratio)应设置为0或接近0,因为层流中湍流可以忽略。 ### 2. **设置压力出口边界条件(pressure-outlet)** - **静压(Gauge Pressure)**:设置一个略低于压力入口的值(例如-10 Pa),以形成较小的压差驱动流动。 - **回流条件(Backflow Conditions)**:如果计算中出现回流,应设置回流方向和湍流参数(同样设为0)。 ### 3. **流体物性设置** - 在材料属性中,可以调整粘度(Viscosity)以实现低雷诺数。例如,将水的粘度从0.001 kg/m·s改为更高的值(如0.1 kg/m·s),这样雷诺数就会降低。但要注意,这改变了实际的物理性质,需要根据模拟目的决定是否合理。 - 如果模拟的是特定流体(如空气或水),不能随意改变物性,则只能通过调整压差来降低流速。 ### 4. **求解器设置** - **求解类型**:选择稳态(Steady)或瞬态(Transient)。对于低雷诺数层流,稳态求解通常足够。 - **离散格式**:使用一阶迎风(First Order Upwind)以提高稳定性,待收敛后再切换至高阶格式(如二阶迎风)。 - **松弛因子**:适当降低压力、动量方程的松弛因子(如0.3)以提高稳定性。 ### 5. **初始化和计算** - 使用混合初始化(Hybrid Initialization)以确保初始流场合理。 - 逐步增加压差:如果直接施加小压差不收敛,可以先设置一个较大的压差使计算收敛,然后逐步减小压差(通过多次计算,每次更新边界条件),直到达到所需的低雷诺数。 ### 6. **验证雷诺数** - 计算后,通过Fluent中的报告功能计算雷诺数: $$ Re = \frac{\rho U_{avg} D_h}{\mu} $$ 其中$U_{avg}$为平均流速(可通过流量和截面积计算),$D_h$为水力直径。 - 可通过创建表达式(Expression)实时监控雷诺数。 ### 示例:设置层流圆管流动(雷诺数500) 假设圆管直径$D=0.01$ m,流体为水(密度$\rho=1000$ kg/m³,粘度$\mu=0.001$ kg/m·s),则目标雷诺数$Re=500$,可反算流速: $$ U = \frac{Re \mu}{\rho D} = \frac{500 \times 0.001}{1000 \times 0.01} = 0.05 \text{ m/s} $$ 为达到此流速,需在压力入口和压力出口之间设置压差$\Delta p$。根据Hagen-Poiseuille定律,圆管层流的压差与平均流速的关系为: $$ \Delta p = \frac{128 \mu L Q}{\pi D^4} = \frac{32 \mu L U}{D^2} $$ 假设管长$L=0.5$ m,则: $$ \Delta p = \frac{32 \times 0.001 \times 0.5 \times 0.05}{0.01^2} = 8 \text{ Pa} $$ 在Fluent中设置: - 压力入口:总压 = 8 Pa(表压) - 压力出口:静压 = 0 Pa(表压) ### 注意事项 - **网格分辨率**:低雷诺数流动对网格要求较低,但仍需保证边界层网格合理(通常一层即可,因为层流边界层较厚)。 - **收敛性**:低雷诺数流动更容易收敛,但仍需监视连续性、动量的残差(应降至$10^{-6}$量级)。 §§相关问题§§ 1. 如何计算Fluent模拟中的雷诺数并进行验证? 2. 在低雷诺数条件下,如何选择合适的离散格式和松弛因子? 3. 如何通过改变流体粘度来实现低雷诺数流动模拟? 4. FLUENT压力边界条件与速度边界条件在层流模拟中的优劣比较? </think>### Fluent中调整压力入口/出口实现低雷诺数的方法 在Fluent中实现低雷诺数流动模拟(通常$Re<2300$),需通过压力边界条件精确控制流体参数。以下是基于压力入口(pressure-inlet)和压力出口(pressure-outlet)的具体调整方法: --- #### **1. 雷诺数与参数关系** 雷诺数计算公式: $$ Re = \frac{\rho U L}{\mu} $$ 其中$\rho$为密度,$U$为特征速度,$L$为特征长度,$\mu$为动力粘度。实现低$Re$的核心是**降低流速$U$** 或**增大粘度$\mu$**。 --- #### **2. 压力入口设置(pressure-inlet)** | 参数 | 低雷诺数建议值 | 作用原理 | |--------------------------|------------------------|--------------------------------------------------------------------------| | Gauge Total Pressure | 降低至原值10%-30%[^1] | 缩小入口-出口压差$\Delta P$ → 降低流速$U$ | | Supersonic/Initial Gauge | 设为0 Pa | 避免初始速度突变 | | Turbulence Specification | Intensity=0.1% | 抑制湍流发展(低$Re$通常为层流) | | Temperature | 适当降低(如293K→283K)| 增大粘度$\mu$(粘度随温度降低而升高) | **示例**:水管流动($\rho=998\ kg/m^3$, $\mu=0.001\ Pa\cdot s$) 若需$Re=500$($L=0.01\ m$),则: $$ U = \frac{Re \cdot \mu}{\rho L} = \frac{500 \times 0.001}{998 \times 0.01} \approx 0.05\ m/s $$ 通过调整入口总压使流速逼近此值。 --- #### **3. 压力出口设置(pressure-outlet)** | 参数 | 低雷诺数建议值 | 作用原理 | |---------------------|-------------------|----------------------------------------------------------| | Gauge Pressure | 维持0 Pa | 与低压入口配合形成小$\Delta P$ | | Backflow Conditions | Turbulence=0.1% | 防止回流破坏层流结构 | | Radial Equilibrium | 禁用 | 避免离心力干扰低速流动 | --- #### **4. 关键辅助设置** **1. 物性调整** 在材料库中直接增大粘度$\mu$(如将水的粘度从0.001改为0.1 $Pa\cdot s$),这是最直接的方法[^2]。 **2. 求解器参数** ```python # 稳态求解设置 /solve/set/equations flow → yes /solve/set/p-v-coupling → simple /solve/set/relaxation → pressure 0.7, momentum 0.5 # 增强稳定性 # 监控雷诺数 /solve/monitors/residual → new → expression 输入: density*Velocity*Hydraulic_Diameter/viscosity ``` **3. 网格优化** - 边界层网格:$y^+ < 1$ (层流要求) - 使用结构化网格减少数值扩散 --- #### **5. 验证步骤** 1. 初始化后检查入口速度报告(`Report → Fluxes → Mass Flow Rate`) 2. 创建雷诺数表达式监控: ```bash Define → Custom Field Functions → Expression: density*Velocity*Hydraulic_Diameter/viscosity ``` 3. 确保全场$Re_{max} < 2300$ > ⚠️ **注意**:若需改变密度$\rho$(如引用[1]方法),需启用**理想气体定律**或**可压缩流体模型**,此时压力边界条件的改变会直接影响密度: > $$ \rho = \frac{p_{inlet}}{R T} $$ ---
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