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:互聯網

Fluent內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。

在計算低馬赫數的流動中,流體流速相對聲速較低,這樣在流動過程中產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的平方在一個數量級。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。速度的變化還和當地的流動截面有關,因為流動還要求質量守恒。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配功能,它體現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、粘性和粘性應力,這樣所有的力都和速度產生了關聯。力和能量是無法分割的,和動量更是有直接關系。再表前題,壓力的相對變化和馬赫數的平方成正比,當Ma<<1時,

ΔP/P∝Ma2<<1,這樣在求解方程的時候如果所有節點的壓力仍然采用P就會產生相當大的舍入誤差。因此Fluent特地在Operating Conditions…面板設置了Operating Pressure選項,如此在內部的計算過程中,所有節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值,使得所解的壓力變化和在方程中的壓力值處在一個數量級,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計算,那么計算結果是沒有意義的。這是因為可壓縮流體的密度與壓力直接相關,速度入口無法準確提供入口工質所處壓力,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置為Pressure-inlet。

需要注意,在設置了Operating Pressure之后,一些邊界條件的設置面板上還會出現 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定的Operating Pressure,工況千變萬化,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,設定了這一選項。比如已經設定了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系式,根據總壓Po、M數計算:
Po/Ps=(1+(k-1)/2*M^2)^(k/(k-1))
k為氣體絕熱指數。Gauge Total Pressure 指的是總壓。根據可壓縮流體的等熵過程可知,流體的運動將使得總壓加大,而且已經有公式可以計算。計算所得的總壓減去操作壓強極為要設置的值。

對于操作密度(operating density)的設置,Fluent 的幫助文檔中提到,如果并沒有使用波斯尼斯假設(Boussinesq approximation)而所求解的場又有重力和流動,那么推薦設定operating density。在默認情況下,fluent通過遍歷流體區域求得的密度的均值作為operating density,是以在具有流動的算例中,即使不設定operating density,系統也會自行設定。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。

設定的操作密度就以流動區域的平均密度為準即可。設置的大小本質上不影響求解的流場結果,但會影響壓力場。

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