本文转载自公众号STAR CCM Online《常用边界条件简介》。为方便阅读，对原文版面进行了小幅调整。本文仅为知识传播，若侵犯了您的权利，麻烦留言告知，以便及时删除。
在CFD计算时边界条件的设置是十分重要的一个环节，边界条件的准确与否会直接影响最终的计算结果，计算的收敛速度，计算假设的合理性等等。边界条件表示的是使用数学的方法将求解域与外部空间相互作用的结果，使用边界上条件进行假设。值得注意的是一个CFD求解精度只能达到边界条件的精度。
对下图而言是使用STARCCM+求解的计算结果，边界条件在哪里？边界条件定义为什么样的类型？如何定义边界条件？等等接下来将进行概述。
下图是内流场示意图，一般类型的内流场包含了入口、出口和壁面。入口有速度入口、质量流量入口和总压入口；出口有出口和静压出口；壁面有光滑壁面、粗糙壁面、移动壁面、绝热壁面等等。在STARCCM+中使用不同的图标表示出来。
下图是外流场示意图，一般类型的外流场包含了入口、出口和壁面。入口有速度入口、质量流量入口和总压入口；出口有出口和静压出口；目标壁面有光滑壁面、粗糙壁面、移动壁面、绝热壁面等等；地面有光滑壁面、粗糙壁面、移动壁面、绝热壁面等等；顶部面有对称和滑移等。在STARCCM+中使用不同的图标表示出来。
在流动状态下壁面边界条件包含三种情况，剪切应力的假设、表面粗糙度假设、表面速度假设。如下图所示，剪切应力假设：当表面设置为滑移状态时表面速度与求解域内第一层网格内速度相等，反之当表面无滑移时表面速度为0；粗糙度假设：当表面设置为0时表面速度将不受粗糙度K的影响，反之则受影响；表面速度假设：相当于在壁面设置了速度矢量，表面的速度为u不再为0，那么整个求解域的计算将受到壁面速度u的影响。
表面速度假设对整场速度分布的影响最大，以一个案例来解释对整场速度分布的影响如下图所示。求解域有一个进口，两个出口，最顶部的壁面考虑静止和移动后对整场速度的影响。左图为静止的壁面两出口处的气流分布由压力驱动，两出口流量不一致，在整个上部空间形成较大的漩涡，涡旋强度较小；右图为移动壁面，顶部表面加载了一个与主流速度相反的速度矢量，在该表面下方存在一个较大的漩涡，增加速度矢量后使得漩涡的强度增加，导致整个流场内速度分布发生较大的变化甚至影响到下部空间。
当表面需要考虑换热效应时，表面可以考虑四种假设：绝热情况下与外界无热交换；恒定的热流，该表面存在恒定的热流；表面温度假设时使用热传导方程进行计算；表面对流换热系数假设时使用对流换热方程进行计算。
入口边界条件包含的速度入口、质量流量入口和停滞入口。在计算前是需要对气流的方向进行指定的。在一般情况下只考虑三种情况如下图所示，边界几何法向指定：气流方向与入口边界垂直；参考角度：设置与边界形成的夹角；坐标合成：设置局部或全局坐标系上各个分量。
入口边界的气流方向不同对结果影响较大，以一个案例来说明在不同角度下整场的速度分布，如下图。左图为指定X方向的流动，该流动方向与入口边界法向相同，在整个求解域中得到相对均匀的速度场分布。右图为在Z方向上增加了一个速度分量w入口处的气流与入口边界形成一个夹角，气流进入求解域后沿XZ合速度方向流动，受到顶部壁面和出口的共同影响形成拱形的速度流场分布。
入口边界条件与气流的流动息息相关，对于不同规范（通常使用雷诺数Re表征速度的大小，时间尺度表征定常及非定常等），热交换假设等都适用。以一个表格来简单总结一下入口可以设置的物质量。
出口边界条件包含了静压力出口和“出口”。静压力出口比较常用，通常需要设置背压值，在考虑到热交换的时候也需要设置温度参考值；静压力出口无法指定速度的方向；静压力出口可以配合所有的入口边界条件来使用。
出口的位置也会对整个流场起着关键性作用，不同的出口位置也会导致整个流场的分布不同。如下图所示。入口处气流为均匀的法向方向，出口为静压力出口相同的背压，相同的出口面积。但出口位置不同导致整场的速度分布不同。左图的出入口之间的夹角较小，气流分布相对流畅。右图出入口之间夹角较大，导致整个气流的流动向出口处偏转。
“出口”出口边界条件可以设置不同出口之间的流量的分配比率。不同的的分配比率影响整个流场的分布不同。仍使用第一个案例来说明“出口”边界类型对流场的影响，如下图所示。左图为静压力出口，两出口的背压相同，由于出口管路的内径大小不同造成出口管路的压损不同，内径较小的压损较大流量较小，内径较大的压损较小流量较大。
往往在计算时求解域只保留的一段模型，对于1，2的背压有时无法直接给出，但是可以给出的是1，2之间的流量分配比率。在这种情况下可以使用“出口”这种边界条件来反映真实的工况。如右图所示，出口1占整个出口的流量的80%在中间的气流流动方向就向1出口流动，相对于右图来了中间区域存在较大的漩涡。
值得注意的是“出口”边界条件需要与速度或者质量流量入口配合使用。一般情况下不能与停滞进口配合使用，由于进入是总压值，出口是流量百分比，整个方程中缺少速度项，只有在初始化的时候可以得到初始状态的速度值，在边界上无速度值，这样会造成整场速度向初始状态的速度场收敛。
同样的以一个表格来简单总结一下出口可以设置的物质量。
出口边界位置的选择也是十分重要的，以上介绍的两种出口边界类型对出口的位置也是有相应的规定，如果假设位置对整体结果有较大的影响，那么计算结果必然会有较大的偏离。如下图所示，气流由左向右流动，当遇到L时在L右侧形成尾流，如果将出口放置在尾流区域内，那么结果是错误的；一般的认为3L-8L为尾流的发展区域，如果出口位置放置在尾流发展区域内，那么结果会会有一点的偏差；一般认为10L以上是完全发展区，出口建议放置在该区域内。
对称边界条件由名称可知是一种对称的状态。满足以下条件就可以使用对称边界条件。
这里还有一种周期性对称结构也属于对称边界的范畴。整个空间可以以某一部分的周期性结构就来描述时，就可以采取这种边界条件。如下图所示绿色与黑色虚线成周期性对称结构。
下图飞机乘员舱，只计算一排座椅区域，前后使用周期性边界条件，左右使用对称面边界。
计算模型只有一部分通过后处理来实现完整模型，对称设置再Tool
自由流边界条件是一种特殊的边界条件类型，只能用于可压缩流计算。应用的范围比较特殊例如高马赫数的情况下，气动声学等等。
以声学为例来了解自由流边界的特定用途，如下图半圆形2D流场，圆弧为自由流边界，直径边为静压力出口，整个求解域是0.1Ma的平均流场由左向右流动，求解域中间存在一个人造涡并以0.1Ma的速度随背景场移动，在流动的反方向上部设定监测点。由于出口为静压力出口，受人造涡的数值影响，出口处存在噪声反射现象，入口处为自由流边界条件无噪声反射现象。由于噪声的反射现象会引起声音的叠加，使得测点处存在异常噪声现象，而这种噪声属于人工噪声或者称为数值噪声。
最右侧是测点对压力的监测，黑色线是出口为静压力边界条件，曲线存在一个压力脉冲；绿色的线出口为静压力边界条件并进行数值噪声处理压力基本恒等于零。该点的噪声是由于静压力出口引起的，而入口处采用自由流边界无噪声反射现象产生。
在STARCCM+中有且仅有自由流边界条件是在法向方向上无数值噪声反射的，其他方向上存在较小的数值噪声反射。其他类型的边界条件均存在数值噪声反射。
在CFD计算的时候边界条件的类型还有很多，例如多相流边界条件，旋转区域边界条件，overset边界条件等等，均不再一一举例，详细资料可参见STARCCM+的帮助文档。边界条件的合理使用可以节省模型的存储空间，加快计算速度，提高求解精度等等，但不合理的边界条件会直接影响计算结果偏离甚至失败。
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