FLUENT中操作壓強、表壓強、靜壓強、總壓強、操作密度的理解

2017-02-21 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

Fluent內(nèi)部計算采用的都是相對壓強。在Define——Operating Conditions…中,所示的Operating Pressure是操作壓強。默認的操作壓強為一個大氣壓101325Pa.

下面敘述一下筆者對采用Operating Pressure原因的理解。

在計算低馬赫數(shù)的流動中,流體流速相對聲速較低,這樣在流動過程中產(chǎn)生的壓力降或者說壓力變化相對于流體的靜壓來講是很小的。因為在流動中有壓力相對變化和馬赫數(shù)的平方在一個數(shù)量級。筆者通常這樣理解壓力變化的緣由:粘性力、體積力、電磁力等有些力是無法避免的,這些力在會改變流動流體的動量和能量。在流動過程中,流體又遵循能量守恒和動量守恒。速度的變化還和當?shù)氐牧鲃咏孛嬗嘘P(guān),因為流動還要求質(zhì)量守恒。速度和壓力是不可分割的。壓強的存在時刻使得能量和動量守恒。筆者認為壓強的存在是一種調(diào)配功能,它體現(xiàn)的是一個因變量的作用,用以平衡各項,使得流動遵守三大定律。但流動同時是耦合的,壓強的作用當然不僅僅是這些。溫度的改變、速度梯度的變化還直接影響密度、粘性和粘性應(yīng)力,這樣所有的力都和速度產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)。力和能量是無法分割的,和動量更是有直接關(guān)系。再表前題,壓力的相對變化和馬赫數(shù)的平方成正比,當Ma<<1時,

ΔP/P∝Ma2<<1,這樣在求解方程的時候如果所有節(jié)點的壓力仍然采用P就會產(chǎn)生相當大的舍入誤差。因此Fluent特地在Operating Conditions…面板設(shè)置了Operating Pressure選項,如此在內(nèi)部的計算過程中,所有節(jié)點的壓力將首先減去該值(默認為101325Pa)然后進行計算。熟悉控制方程的讀者都知道,壓力在所有方程中都是以相對量或者變化量出現(xiàn)的,故此這樣處理并不是更改方程,而是在方程的兩端都減去了一個常數(shù)值,使得所解的壓力變化和在方程中的壓力值處在一個數(shù)量級,這樣,在迭代的過程中舍入誤差將會大大減小。

當選用的計算流體為可壓縮流體(ideal gas等)時,會出現(xiàn)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.

即速度入口的邊界條件不適用于可壓縮流體問題,如果忽略該警示而繼續(xù)計算,那么計算結(jié)果是沒有意義的。這是因為可壓縮流體的密度與壓力直接相關(guān),速度入口無法準確提供入口工質(zhì)所處壓力,因此其密度不具備可信度,計算所得自然無意義。此時,可以采用將入口邊界設(shè)置為Pressure-inlet。

需要注意,在設(shè)置了Operating Pressure之后,一些邊界條件的設(shè)置面板上還會出現(xiàn) gauge pressure 選項,這其實是顧及了一些位置的壓力變化,因為有些入口或者邊界的壓力可能并不是當初設(shè)定的Operating Pressure,工況千變?nèi)f化,Fluent 為了減小自己本身的計算量和提高對實際情況的仿真程度,設(shè)定了這一選項。比如已經(jīng)設(shè)定了Operating Pressure 為101325 Pa,但由于某種原因你的壓力出口處壓力并非101325,而是201325,這個時候就需要設(shè)置gauge pressure為 201325 - 101325 = 100000.

界面上顯示的Supersonic(超音速的;超聲波的)/Initial Gauge Pressure指靜壓強。可能表示的是流體靜止時總壓相對于操作壓強的值,靜壓Ps按可壓縮等熵流動關(guān)系式,根據(jù)總壓Po、M數(shù)計算:
Po/Ps=(1+(k-1)/2*M^2)^(k/(k-1))
k為氣體絕熱指數(shù)。Gauge Total Pressure 指的是總壓。根據(jù)可壓縮流體的等熵過程可知,流體的運動將使得總壓加大,而且已經(jīng)有公式可以計算。計算所得的總壓減去操作壓強極為要設(shè)置的值。

對于操作密度(operating density)的設(shè)置,Fluent 的幫助文檔中提到,如果并沒有使用波斯尼斯假設(shè)(Boussinesq approximation)而所求解的場又有重力和流動,那么推薦設(shè)定operating density。在默認情況下,fluent通過遍歷流體區(qū)域求得的密度的均值作為operating density,是以在具有流動的算例中,即使不設(shè)定operating density,系統(tǒng)也會自行設(shè)定。而往往通過顯示地自定義操作密度會達到更好收斂效果。

operating density在fluent中的調(diào)用過程如下:在動量方程或者能量方程中,壓力項重定義為 :

p=p-(operating density)*g*h

筆者自己理解的是,fluent將重力中恒定的那一部分影響集成到了壓力梯度中,通過壓力修正方式解算出壓力場和速度場之后,再把壓力中減去的那部分重力影響加上。

設(shè)定的操作密度就以流動區(qū)域的平均密度為準即可。設(shè)置的大小本質(zhì)上不影響求解的流場結(jié)果,但會影響壓力場。

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