流体边界参考

Simcenter STAR-CCM+ 提供了一系列边界条件,可用来描述流体在接触或穿过求解域边界时的行为。

对于流体模拟,以下边界类型要求设置特定的条件和值:

单击任何链接可查看每种类型可用的条件和值节点。

速度入口

速度指定
控制如何定义边界上的速度。
方法 对应值节点
组分

定义速度矢量的所有分量。

速度
相对速度
在选定的坐标系中设置速度矢量。相关时,该矢量将在应用于边界的参考坐标系内定义。
幅值 + 方向

定义速度矢量的幅值,并基于流向指定确定方向。

速度幅值
相对速度幅值
设置通过选定方法选择的速度幅值。相关时,该幅值将在应用于边界的参考坐标系内定义。
背景

此方法仅在离散多相模型中可用。离散相的速度值取自背景流。

无。
流向指定
相对流向指定
控制如何定义流向。相关时,这些物理量将在应用于边界的参考坐标系中设置。
方法 对应的物理值节点
边界法向

设置垂直于边界面的流向。

无。
组分
流向
相对流向
在通过选定方法选择的坐标系中设置方向矢量。

使用欧拉角度设置方向。

液流角
将流向定义为绕参考坐标系的特定轴旋转的单位基准矢量的成分。这些旋转称为欧拉角度。将方法设为常数时,可将设为 , , 旋转。 φ θ ψ 方法场函数时,可将角函数设为适当的函数。也可以提供表。
支持使用三个不同的旋转约定来定义使用的坐标轴以及旋转应用顺序。如下所示选择旋转约定
  • X 约定 (Z-X-Z):对于欧拉角度 ( , , ),第一次旋转绕 Z 轴呈角度 进行,第二次旋转绕 X 轴呈角度 进行,第三次旋转绕 Z 轴呈角度 进行。 φ θ ψ φ θ ψ
  • Y 约定 (Z-Y-Z):对于欧拉角度 ( , , ),第一次旋转绕 Z 轴呈角度 进行,第二次旋转绕 Y 轴呈角度 ,第三次旋转绕 Z 轴呈角度 进行。 φ θ ψ φ θ ψ
  • Yaw, Pitch, Roll 约定 (Z-Y-X):对于欧拉角度 ( , , ),第一次旋转绕 Z 轴呈角度 进行,第二次旋转绕 Y 轴呈角度 进行,第三次旋转绕 X 轴呈角度 进行。 φ θ ψ φ θ ψ
轴约定按如下所示应用旋转:
  • 固定轴:相对于原始轴
  • 移动轴:相对于旋转轴
参考坐标系指定
用于指定与边界相关的参考坐标系。

根据边界类型,相对于指定参考坐标系定义以下一个或多个属性:

  • 流向指定
  • 速度
  • 速度幅值
  • 流向指定
  • 总压力
  • 总温
  • 切向速度指定
选项 对应的物理值节点
基准坐标系

使用基准参考坐标系。

此选项默认用于速度入口滞止入口边界。

无。
部件参考坐标系

使用区域相对于其关联部件的直接旋转参考坐标系。

仅当激活直接旋转参考坐标系节点下的根据部件子组指定时,此选项才可用。有关更多详细信息,请参考定义直接参考坐标系

[区域] > 物理值 > 直接旋转参考坐标系 > [子组] > 直接旋转参考坐标系值中,可以可视化参考坐标系指定。

区域参考坐标系

使用父区域的参考坐标系。

当在旋转参考坐标系中定义了区域时,边界使用区域的参考坐标系。

[区域] > 物理值 > 节点中可以看到区域轴。如果该节点不存在,分配给区域的运动将自动提供区域轴。例如,如果将工具 > 运动节点中定义的旋转运动指派给区域,则区域轴是旋转运动的轴。

无。
局部参考坐标系

用于指定边界的局部参考坐标系。只能选择旋转参考坐标系。当边界和区域以不同转速旋转但轴和原点相同时可以使用。当区域和边界具有不同的 RPM、轴和原点值时,也可以设置此选项。

边界参考坐标系指定
将选定的参考坐标系应用于包含的边界。

质量流量入口

设置质量流率时,Simcenter STAR-CCM+ 使用 来根据质量流率确定速度。 m˙=ρav

质量流量入口与速度入口在密度使用方式上有所不同:
  • 对于恒密度流,两种方法相同。
  • 对于可变密度流,如果已指定质量流量,则密度更改时,速度也随之更改。如果已指定速度,则密度更改时,质量流量也随之更改。
可以在质量流量入口边界上指定负质量流率、负质量通量或负流向,使其行为类似于出口。此功能与分离求解器和耦合求解器兼容。但是,如果以下任一条件(Simcenter STAR-CCM+ 不会针对此类条件进行自动检查)适用,则不要使用该功能:
  • 流出超过流入(例如,某一入口为 +1 kg/s,另一入口为 -2 kg/s);此条件将导致质量流量边界尝试抽出的质量超过可用的质量。
  • 边界附近的流量远超过马赫 0.2。
  • 流量被阻塞。

在多相模拟中,质量流量入口可用于指定每相质量流率或每相质量通量。

超音速静压
设置应用超音速条件时入口边界的上游静压。Simcenter STAR-CCM+ 会结合使用此值和总压力来计算进入模拟的流体的速度。
质量流量选项
指定选项 对应值节点
质量通量
质量通量
相对质量通量
每单位面积的质量流率的标量。

可以使用函数或表来指定整个入口中的空间变化。有关更多信息,请参见理论指南中的质量流量入口

质量流率
质量流率
相对质量流率
指定出口边界处的质量流率。Eqn. (827) 中的 m ˙ i , spec

质量流率表示整个边界每单位时间的总质量 ( k g / s )。可以使用场函数和表来描述与迭代或时间步的依赖性,但整个边界的质量流率不能在空间上发生变化。

如理论指南中的质量流量入口中所述,总质量流量分布在部件的所有面上。

可以为多相流体指定反流(负质量流率)。但是,使用此选项时务必小心。

滞止入口

对于此边界类型,始终设置计算域的上游总压力。

总压力
标量分布值。
超音速静压
设置应用超音速条件时入口边界的上游静压。Simcenter STAR-CCM+ 会结合使用此值和总压力来计算进入模拟的流体的速度。
滞止入口选项
选项 对应值节点
无。
非反射 (CF)

防止在稳态模拟、可压缩性模拟和非等温模拟中将求解的虚假数值反射到求解域。

非反射模式指定
指定要保留的模式数。指定的模式数需小于圆周方向上的网格单元数。
压力跃变

添加条件节点压力跃变选项

无。
压力跃变选项
选项 对应值节点
无。
风扇

压力上升可从风扇曲线中获得。在滞止入口边界,压力上升将应用于进入域的方向。在压力出口边界,压力上升将应用于流出域的方向。

选择此选项将添加条件节点风扇曲线类型

风扇值节点受风扇曲线类型控制。
多孔

压力损失计算为 α ρ | v | 2 + β ρ | v | ,其中 α 多孔惯性阻力 β 多孔粘性阻力。压力损失始终应用于流向。

多孔惯性阻力
α 的标量分布值。
多孔粘性阻力
β 的标量分布值。
损耗系数

压力损失计算为 0.5 K ρ | v | 2 ,其中 K 压力损失系数。压力损失始终应用于流向。

压力损失系数
K 的标量分布输入。
当将压力跃变选项应用于分离流求解器而流体求解不收敛时,可以通过激活分离流模型中的 δ-V 耗散来解决此问题。
风扇曲线类型
曲线类型 对应值节点
风扇曲线表
风扇曲线表将压力上升定义为四个可能输入变量的函数。接受的输入变量(可使用方法选择)如下:
  • 局部速度
  • 质量平均速度
  • 体积流率
  • 质量流率
选择先前导入的之后,将表:X 设为包含输入变量数据的列,并将表:P 设为包含压力上升数据的列。使用单位:X单位:P 设置相应的单位。使用压力上升通知 Simcenter STAR-CCM+ 有关此数据的定义依据:
  • 标准:压力上升是指下游静压和上游总压力之差
  • 静态至静态:压力上升是指下游静压和上游静压之差。此定义还与下游总压力和上游总压力之差相同
选择静态至静态选项时,确保指定的风扇曲线是输入变量的递减函数。选择标准选项时,确保 [指定的风扇曲线 + ] 是输入变量的递减函数。 12pv2
在四个风扇曲线方法选项中,只有质量平均速度选项不会线性化,且被视为稳定性较低。其他选项均会在风扇交界面或边界的每个面上应用不同的压力上升。但对于某些问题,将相同的压力上升应用于风扇交界面或边界上的所有面可能更有意义。在这种情景下,可以使用质量平均速度选项。
旋转速率数据中,输入性能测试要应用的参考风扇速度。在工作旋转速率中,输入当前模拟的实际风扇速度。Simcenter STAR-CCM+ 将对该表包含的参考数据应用风扇标度律。
风扇详细说明
详细说明打开时,Simcenter STAR-CCM+ 将输出有关风扇模型行为的详细信息。
多项式
风扇曲线多项式
利用以下某一变量(可使用方法选择),可将风扇压力上升作为多项式建模:
  • 局部速度
  • 质量平均速度
  • 体积流率
  • 质量流率
通过使用多项式的自定义属性编辑器,可输入多项式参数。
压力上升工作旋转速率旋转速率数据属性与风扇曲线表中的作用相同。
参考坐标系指定
与速度入口一样,但额外提供以下属性:
Use Flow Direction Reference Frame(使用流向参考坐标系)
设为打开时,添加条件节点流向参考坐标系指定,为流向引入单独的参考坐标系。默认值为关闭
流向指定
相对流向指定
与速度入口相同。

自由流

自由流选项
选择相应的选项作为 [区域] > 边界 > [边界] > 物理条件 > 自由流选项节点的属性。
选项 对应值节点
马赫数 + 压力 + 温度

默认自由流选项。

马赫数
指定马赫数。
压力
使用标准标量分布法指定工作压力。对于涡轮机模拟,径向平衡方法可用。径向平衡压力边界条件适用于强旋转流,其中,旋转产生的离心力因径向压力梯度力而得到平衡。径向平衡方法与除平均压力之外的所有压力出口选项兼容。有关更多信息,请参见径向平衡
静态温度
设置连续体的初始静态温度。
高度 + 长度尺度 + 雷诺数

自由流的压力和温度使用指定的高度在内部计算。

自由流的马赫数使用指定的高度、雷诺数和长度尺度在内部计算。

添加物理条件 > 大气类型选项节点,在该节点下指定适当的大气类型。

高度
设置 Simcenter STAR-CCM+ 从所选大气表中提取自由流压力和温度时的高度。
马赫数
指定适当的雷诺数和长度尺度值。
高度 + 马赫数

自由流的压力和温度使用指定的高度在内部计算。

添加物理条件 > 大气类型选项节点,在该节点下指定适当的大气类型。

高度
设置 Simcenter STAR-CCM+ 从所选大气表中提取自由流压力和温度时的高度。
马赫数
指定马赫数。
通过右键单击自由流选项节点并选择显示平均压力、速度、温度值,可以显示 Simcenter STAR-CCM+ 在内部计算的自由流值。
将动力粘度材料属性设为 Sutherland 定律时,Print Average Pressure, Velocity, Temperature Values(显示平均压力、速度、温度值) 函数不兼容。
大气类型选项
对于大气流动,指定 Simcenter STAR-CCM+ 通过高度计算自由流压力和温度所使用的方法:
选项 对应值节点
标准

使用“1976 美国标准大气”作为地球大气模型。

无。
用户表

使用用户自己导入的表。确保先导入工具 > 节点内的表。

大气表
使用此节点可配置用户自己导入的表,Simcenter STAR-CCM+ 将从此表中提取自由流压力和温度。将设为导入的表。将相关表列与表:高度表:P表:T 匹配。使用单位:高度单位:P单位:T 设置相应的单位。
流向指定
相对流向指定
与速度入口相同。

压力出口

对于除“平均压力”选项以外的所有选项,指定通过出口的压力。

压力
使用标准标量分布法指定工作压力。对于涡轮机模拟,径向平衡方法可用。径向平衡压力边界条件适用于强旋转流,其中,旋转产生的离心力因径向压力梯度力而得到平衡。径向平衡方法与除平均压力之外的所有压力出口选项兼容。有关更多信息,请参见径向平衡
回流指定
设置 Simcenter STAR-CCM+ 计算任何通过流出边界进入模拟的流的方向所使用的方法。对于某些方法,还必须设置关联的参考坐标系指定。
压力
指定计算压力的方式。
  • 环境:减去压力出口边界处的动压头。
  • 静态:在流入情况下不使用动压头。压力始终保持为用户指定压力。
方向
方向 对应的物理值节点
已推算
通过域的内部推算流向。在大多数情况下,其稳定性不如“边界法向”选项。但是,对于已知流体与压力边界平行(例如,同轴射流)的情况,建议使用此选项。默认情况下,已针对耦合流体模型设置此选项。

无。
边界法向

假设来流采用为边界指定的参考坐标系,沿与边界表面正交的矢量进入模拟。默认情况下,分离流模型已设置此选项,且此选项通常可提供最稳定的收敛。如果流体在很大程度上与边界平行,则应改为使用“已推算”选项。

无。
组分

指定的参考坐标系中将显式定义流入方向矢量。

参考坐标系指定设为“基准坐标系”时,此值将在物理值下的流向节点中定义。当参考坐标系指定设为“基准坐标系”以外的选项时,此值将在相对流向节点中定义。

流向
相对流向
在通过选定方法选择的坐标系中设置方向矢量。

使用欧拉角度设置方向。

液流角
将流向定义为绕参考坐标系的特定轴旋转的单位基准矢量的成分。这些旋转称为欧拉角度。将方法设为常数时,可将设为 , , 旋转。 φ θ ψ 方法场函数时,可将角函数设为适当的函数。也可以提供表。
支持使用三个不同的旋转约定来定义使用的坐标轴以及旋转应用顺序。如下所示选择旋转约定
  • X 约定 (Z-X-Z):对于欧拉角度 ( , , ),第一次旋转绕 Z 轴呈角度 进行,第二次旋转绕 X 轴呈角度 进行,第三次旋转绕 Z 轴呈角度 进行。 φ θ ψ φ θ ψ
  • Y 约定 (Z-Y-Z):对于欧拉角度 ( , , ),第一次旋转绕 Z 轴呈角度 进行,第二次旋转绕 Y 轴呈角度 ,第三次旋转绕 Z 轴呈角度 进行。 φ θ ψ φ θ ψ
  • Yaw, Pitch, Roll 约定 (Z-Y-X):对于欧拉角度 ( , , ),第一次旋转绕 Z 轴呈角度 进行,第二次旋转绕 Y 轴呈角度 进行,第三次旋转绕 X 轴呈角度 进行。 φ θ ψ φ θ ψ
轴约定按如下所示应用旋转:
  • 固定轴:相对于原始轴
  • 移动轴:相对于旋转轴
标量
指定标量的计算方式。
  • 指定:当发生倒流时,将使用您在边界处指定的标量条件。否则,对标量条件进行外插值。
  • 已推算:无论是哪种流向,边界处的标量条件都设为与最接近的内部面的标量条件相同。
压力出口选项
提供一系列选项以约束流出边界上的压力。
选项 对应的物理值节点
无。
非反射 (CF)

防止在稳态模拟、可压缩性模拟和非等温模拟中将求解的虚假数值反射到求解域。

非反射模式指定
指定要保留的模式数。指定的模式数需小于圆周方向上的网格单元数。
非稳态非反射 (CF)

防止非稳态模拟、可压缩性模拟和非等温模拟中出现虚假声反射。

非稳态非反射长度尺度
指定基准长度(通常为流向上域的长度)的,在 Eqn. (812) 中定义为 。 L ref
目标质量流量

自动将校正应用于指定的压力边界值,尝试生成指定的质量流率。

目标质量流率
设置要达到的质量流率,定义为 Eqn. (815) 中的 。m˙spec
每次迭代时,Simcenter STAR-CCM+ 均会将压力调整 应用于指定的压力。δP校正过程将受到设置的平均压力值(最小允许平均压力最大允许平均压力)的约束。压力调整公式 Eqn. (815) 中引入了亚松弛因子ωspec
每次迭代应用调整时,系统将根据指定的更新频率(迭代或时间步)计算新的压力调整值。对于额外调试输出,激活详细说明
压力跃变

添加条件节点压力跃变选项

无。
平均压力 (SF)
压力出口边界旁边的网格单元的压力分布将会调整,使该分布的平均值等于“平均压力”节点下指定的平均压力值。随后,此调整后的分布将应用于压力出口边界的面。

网格单元 i 边界面处的压力计算如下:

P s , f i = P s , a v g , s p e c + λ s p e c ( P s , c i P s , c , a v g )
其中:
  • P s , a v g , s p e c 为平均压力。
  • λ s p e c 为选定的混合因子。
  • P s , c i 为网格单元 i 中的压力。
  • P s , c , a v g = i P s , c i | a i | i | a i | 其中, | a i | 为网格单元 i 的边界面的面积。

这些计算仅适用于没有回流的面。含回流或超音速流的面被视为按默认压力出口边界条件处理。请参见压力出口

结合使用此选项和耦合流体时,建议使用连续性收敛加速器以加快收敛。Simcenter STAR-CCM+ 将对此效应发出警告。

平均压力
将平均压力 设为标量分布。pavg
平均压力调节器
设置 Simcenter STAR-CCM+ 用来平滑压力分布的因子 ,该值根据压力出口边界旁的网格单元推算得出。β此值范围为 0 到 1。默认值为 0.5。
压力跃变选项
选项 对应值节点
无。
风扇

压力上升可从风扇曲线中获得。在滞止入口边界,压力上升将应用于进入域的方向。在压力出口边界,压力上升将应用于流出域的方向。

选择此选项将添加条件节点风扇曲线类型

风扇值节点受风扇曲线类型控制。
多孔

压力损失计算为 α ρ | v | 2 + β ρ | v | ,其中 α 多孔惯性阻力 β 多孔粘性阻力。压力损失始终应用于流向。

多孔惯性阻力
α 的标量分布值。
多孔粘性阻力
β 的标量分布值。
损耗系数

压力损失计算为 0.5 K ρ | v | 2 ,其中 K 压力损失系数。压力损失始终应用于流向。

压力损失系数
K 的标量分布输入。
当将压力跃变选项应用于分离流求解器而流体求解不收敛时,可以通过激活分离流模型中的 δ-V 耗散来解决此问题。
压力跃变亚松弛因子
使模拟稳定并改进收敛。
当分离求解器处于活动状态时,如果已启用“压力跃变选项”,则默认设置为 0.5。当耦合求解器处于活动状态时,如果已启用“压力跃变项”,则默认设置为 1.0。一旦启用“压力跃变选项”,如果随后在不同求解器之间切换,“压力跃变亚松弛因子”不会更改。但是,可以根据需要手动更改“压力跃变亚松弛因子”。此外,当分离求解器处于活动状态时,可以修改与“速度”和“压力亚松弛因子”结合使用的“压力跃变亚松弛因子”。
风扇曲线类型
曲线类型 对应值节点
风扇曲线表
风扇曲线表将压力上升定义为四个可能输入变量的函数。接受的输入变量(可使用方法选择)如下:
  • 局部速度
  • 质量平均速度
  • 体积流率
  • 质量流率
选择先前导入的之后,将表:X 设为包含输入变量数据的列,并将表:P 设为包含压力上升数据的列。使用单位:X单位:P 设置相应的单位。使用压力上升通知 Simcenter STAR-CCM+ 有关此数据的定义依据:
  • 标准:压力上升是指下游静压和上游总压力之差
  • 静态至静态:压力上升是指下游静压和上游静压之差。此定义还与下游总压力和上游总压力之差相同
选择静态至静态选项时,确保指定的风扇曲线是输入变量的递减函数。选择标准选项时,确保 [指定的风扇曲线 + ] 是输入变量的递减函数。 12pv2
在四个风扇曲线方法选项中,只有质量平均速度选项不会线性化,且被视为稳定性较低。其他选项均会在风扇交界面或边界的每个面上应用不同的压力上升。但对于某些问题,将相同的压力上升应用于风扇交界面或边界上的所有面可能更有意义。在这种情景下,可以使用质量平均速度选项。
旋转速率数据中,输入性能测试要应用的参考风扇速度。在工作旋转速率中,输入当前模拟的实际风扇速度。Simcenter STAR-CCM+ 将对该表包含的参考数据应用风扇标度律。
风扇详细说明
详细说明打开时,Simcenter STAR-CCM+ 将输出有关风扇模型行为的详细信息。
多项式
风扇曲线多项式
利用以下某一变量(可使用方法选择),可将风扇压力上升作为多项式建模:
  • 局部速度
  • 质量平均速度
  • 体积流率
  • 质量流率
通过使用多项式的自定义属性编辑器,可输入多项式参数。
压力上升工作旋转速率旋转速率数据属性与风扇曲线表中的作用相同。
参考坐标系指定
与速度入口相同。

出口

指定质量流量
指定质量流量 对应值节点
分流比
分流比
当一个连续体上存在多个出口边界时,必须指定穿过每个边界的质量流量的分数。如果连续体中只有一个出口边界,则会忽略指定的分数。这是一个简单的值,只有一种方法用于输入数据类型,其值为 0 到 1。
质量流率

求解器在每次迭代时将对此边界上的流率进行校正,确保总流量与指定流率相符。如果使用可压缩求解器,推算得出的密度将用于计算质量流率。

此边界类型可用于与压力出口相同的连续体。但是,需要考虑以下内容:

  • 在压力出口可充当入口的情景下,需要注意指定压力条件的方式。在反流情况下,系统将从指定压力中提取动压头,这可能会导致压力出口上的压力分布不正确。
  • 如果使用场函数指定质量流率,则边界上的平均值将用作指定的质量流率。质量流率必须是单个值,而不是其值沿边界变化的场函数。
质量流率
相对质量流率
指定出口边界处的质量流率。Eqn. (827) 中的 m ˙ i , spec

质量流率表示整个边界每单位时间的总质量 ( k g / s )。可以使用场函数和表来描述与迭代或时间步的依赖性,但整个边界的质量流率不能在空间上发生变化。

如理论指南中的质量流量入口中所述,总质量流量分布在部件的所有面上。

校正的质量流率

在物理连续体中选择能量模型时变为可用。对于涡轮机应用。可用于模拟从阻塞到浪涌的完整压缩机速度线,而无需更改边界类型。

分析压缩机性能时,机器旋转速率保持不变,流出边界速率会变化,以体现通过压缩机的质量流量与出口压力和入口压力之比之间的关系。此曲线称为速度线,此速度线上的每个点对应于单个模拟。



朝向速度线右侧,压缩机出现阻塞,不再有质量流过机器。朝向速度线左侧,压缩机在流体反向通过机器时发生浪涌。校正的质量流率选项可处理与这些奇异点关联的数值难题,适用于模拟速度线上的所有点。

此选项还可用于直接指定从压缩机传递到燃气涡轮发动机燃烧室的校正质量流量。

校正的质量流率
质量流率相同,但可用于指定校正的质量流率(Eqn. (830) 中的 m ˙ i , spec )。
出口流指定
出口流指定 对应值节点
指定的分流比
分流比
当一个连续体上存在多个出口边界时,必须指定穿过每个边界的质量流量的分数。如果连续体中只有一个出口边界,则会忽略指定的分数。这是一个简单的值,只有一种方法用于输入数据类型,其值为 0 到 1。
指定的质量通量

求解器在每次迭代时将对此边界上的流率进行校正,确保总流量与指定流率相符。如果使用可压缩求解器,推算得出的密度将用于计算质量流率。

此边界类型可用于与压力出口相同的连续体。但是,需要考虑以下内容:

  • 在压力出口可充当入口的情景下,需要注意指定压力条件的方式。在反流情况下,系统将从指定压力中提取动压头,这可能会导致压力出口上的压力分布不正确。
  • 如果使用场函数指定质量流率,则边界上的平均值将用作指定的质量流率。质量流率必须是单个值,而不是其值沿边界变化的场函数。
质量流率
相对质量流率
指定出口边界处的质量流率。Eqn. (827) 中的 m ˙ i , spec

质量流率表示整个边界每单位时间的总质量 ( k g / s )。可以使用场函数和表来描述与迭代或时间步的依赖性,但整个边界的质量流率不能在空间上发生变化。

如理论指南中的质量流量入口中所述,总质量流量分布在部件的所有面上。

指定的体积通量
体积流率
体积流率的标量。

体积流率表示整个边界每单位时间的总体积。

如果相密度之间存在较大的差异,则使用多相混合物的体积流率可生成更平滑的出口分布。如果指定恒定质量流率,则流速将变得不稳定。例如,水中的气泡在经过出口边界时会明显增加速度。

请参见指定的体积通量

不支持反流(负质量流率),因为边界上不能指定体积分数。