自由流

自由流边界可用于对远场边界处的自由流可压缩流条件建模。

自由流边界条件以 Riemann 不变量的外插值为基础,且假设边界法向上存在无旋准 1D 流。 此条件通常应用于边界位置距离体足够远时的外部流。 内部流的壁面通常可能是不规则形状,且紧邻流体边界。 这些壁面可能会生成边界层、涡流或其他多维流体结构,使得无旋准 1D 流假设不成立。

要设置外部流的自由流条件,可使用以下选项:

  • 马赫数 + 压力 + 温度 — 显式定义马赫数、工作压力和静态温度的自由流值。
  • 高度 + 长度尺度 + 雷诺数 — 从大气表中提取指定高度下工作压力和静态温度的自由流值。 可使用指定的长度尺度和雷诺数根据这些值计算马赫数。
  • 高度 + 马赫数 — 显式定义自由流马赫数,并从大气表中提取指定高度下工作压力和静态温度的自由流值。

边界输入

自由流边界仅对可压缩流有效。 在边界处,指定以下变量:
输入 可压缩状态方程
  • 马赫数 Mspec
✓
  • 工作压力 Pspec
✓
  • 静态温度 Ts,spec
✓
  • 高度 hspec
✓
  • 长度尺度 Lspec
✓
  • 雷诺数 Re⁡spec
✓
  • 流向 θspec
✓

可以将流入方向 θspec 指定为垂直于边界、单独的角度分量,也可以直接指定为流向角。 相对于流动条件参考坐标系(可以是基准、区域或局部参考坐标系)来指定流动条件。

工作压力 Pspec 始终相对于参考压力来表示。 该值表示绝对压力与参考压力之间的差。

在无重力影响的流中,工作压力等于静态表压。 如果重力模型处于活动状态,则对于可变和恒密度流而言,工作压力将等于测压压力,如 Eqn. (862) 中所示。 使用湍流模型时,工作压力隐式包括 23ρk 的影响。 然而,工程相关的大多数流中,此影响可忽略不计。

计算值

对于自由流边界,Simcenter STAR-CCM+ 在边界面处计算以下值:
  • 速度 v
  • 静压 Ps
  • 静态温度 Ts

可压缩状态方程

要在边界面处计算 v、Ps 和 Ts,Simcenter STAR-CCM+ 需要以下自由流变量,这些变量根据指定的自由流条件计算,如下表所示:

自由流变量 马赫数 + 压力 + 温度 高度 + 长度尺度 + 雷诺数 高度 + 马赫数
  • 马赫数 M∞
Mspec Respec⁢  μ∞⁡ρ∞   Lspec⁢  c∞ Mspec
  • 工作压力 P∞
Pspec P(hspec)(来自大气表) P(hspec)(来自大气表)
  • 静态温度 Ts,∞
Ts,spec Ts(hspec)(来自大气表) Ts(hspec)(来自大气表)
  • 流向 θ∞
θspec θspec θspec
  • 声速 c∞
γRgasTs,∞ γRgasTs,∞ γRgasTs,∞
  • 速度 v∞
c∞M∞θ∞ c∞M∞θ∞ c∞M∞θ∞
  • 熵 S∞
Ts,∞γγ−1P∞ Ts,∞γγ−1P∞ Ts,∞γγ−1P∞

其中:

  • γ=CpCv 为比热比。
  • Rgas 为单位气体常数。

此外,边界法向速度 vn 的幅值根据特征计算得出,如下所示:

图 1. EQUATION_DISPLAY
vn=(R+−R−)2
(850)

R+ 和 R+ 分别为正负 Riemann 不变量,定义如下:

图 2. EQUATION_DISPLAY
R+=vext⋅n+2cextγ−1
(851)
图 3. EQUATION_DISPLAY
R−=v∞⋅n−2c∞γ−1
(852)

其中:

  • ext 指示该值从相邻网格单元推算得出。
  • N=a/|a|,其中=a/|a|,其中 a 为向外面网格面积矢量。

边界处的声速计算如下:

图 4. EQUATION_DISPLAY
c=(R+−R−)γ−14
(853)
流入
在亚音速流入条件下,速度、静压和静态温度的面值计算如下:
图 5. EQUATION_DISPLAY
v=v∞+(vn−v∞⋅n)⋅n
(854)
图 6. EQUATION_DISPLAY
Ps=Tsγγ−1S∞
(855)
图 7. EQUATION_DISPLAY
Ts=c2γRgas
(856)
在超音速流入条件下,速度、静压和静态温度被视为相应的自由流值。
流出
在亚音速流出条件下,速度、静压和静态温度的面值计算如下:
图 8. EQUATION_DISPLAY
v=vext+(vn−vext⋅n)⋅n
(857)
图 9. EQUATION_DISPLAY
Ps=Tsγγ−1Sext
(858)
图 10. EQUATION_DISPLAY
Ts=c2γRgas
(859)
在超音速流出条件下,速度、静压和静态温度从相邻网格单元推算得出。