0. 寫在前面

本來想寫一篇Fluent邊界條件設置的文章，結果發現內容太多，因此退而求其次，想寫進出口邊界設置的文章，發現內容還是太多，最后就寫了這篇單單介紹邊界湍流參數設置的文章，結果內容還是將近3000字。

本文干貨較多，通過對文章的閱讀，相信對于邊界湍流參數的設置大家不會有任何問題。

所謂邊界湍流參數，主要是指下圖中的參數設置：

本文寫的比較詳細，想直接看參數設置的可以直接跳到?3.湍流參數的設置。

但還是強烈建議大家完整看下，對邊界條件有更深的理解，尤其得看看?2.2 湍流參數重要性?這一小節

1. 邊界條件概述

1.1 邊界條件概念

邊界條件說白了就是求解微分方程的某些附加條件，這些附加條件對計算邊界做出了要求，比如某個邊界溫度必須為500K，Fluent求解時必須首先滿足這些要求。

求解任何微分方程都需要給定兩類條件才能求出定解，一類是邊界條件，另一類就是初始條件。

Fluent恰巧需要用戶給出這兩類條件(實際上任何數值軟件如Matlab都需要給出這兩類條件)。

1.2 Fluent邊界條件

Fluent邊界條件類型非常非常豐富，僅僅針對進出口邊界，Fluent就提供了12種邊界條件類型。

velocity inlet? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????速度入口

pressure inlet? ? ? ? ????????????????壓力入口

mass-flow inlet? ? ? ? ? ? ? ? ? ????質量流率入口

mass-flow outlet? ? ????????????????質量流率出口

pressure outlet? ? ??????????????????壓力出口

pressure far-field???????????????????壓力遠場

outflow? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 自由出流

inlet vent? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?進風口

intake fan? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 進氣風扇

outlet vent? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?出風口

exhaust fan? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?排氣風扇

degassing? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?脫氣

雖然進出口邊界條件的類型很多，但是這些邊界條件存在一些共同點，那就是當使用湍流模型時，邊界條件選項中都會出現湍流參數的設置，如Turbulent Viscosity Ratio、Hydraulic Diameter等

下面我們就對這些邊界條件中的湍流參數設置進行詳細的介紹，希望大家能通過這篇文章把湍流參數的設置理解透徹。

2. 邊界湍流參數介紹

2.1 邊界湍流參數類型

常用的邊界湍流參數共有六個，分別是：

Turbulence Intensity? ? ? ? ? ? ?I? ? ? ? ? 湍流強度

Turbulent Viscosity Ratio? ? μt/μ? ? ?湍流粘度比

Turbulence Length Scale? ? ? l? ? ? ? 湍流長度尺度

Hydraulic Diameter? ? ? ? ? ? ?DH? ? ? ? 水力直徑

Turbulent kinetic energy? ? ? ?k? ? ? ? ?湍動能

Turbulent Dissipation Rate? ε或ω? ? ?湍流耗散率

在Fluent進出口湍流參數設置過程中，往往需要選擇兩個湍流參數設置

注：outlet邊界條件的湍流參數設置會在參數前加上Backflow，這表示的是出口出現回流時，回流的湍流參數。

正常情況下出口應該是流體流出，不會出現回流，那么設置的Backflow Turbulent Intensity等參數無效。

2.2 湍流參數重要性

這里不得不說明一下湍流參數的重要性，盡管有點啰嗦。但確實很重要，大家這一小節一定要看一下。

湍流邊界參數必須要很精確的設置嗎？并非如此！！！

在大多數湍流中，邊界層內的湍流水平往往比流動進出口處的湍流水平高很多，因此流動進出口處的湍流設置對于計算結果常常沒有影響。--ANSYS Help

如果你要研究的工況屬于上述，那么到此為止，下面的內容都不需要看了。

大多數工況下，湍流參數只需要估計個大概即可，不需要通過精確的計算得到這些參數。

但是這并不是說可以隨意設置湍流參數。在一些情況下，湍流參數的設置會影響收斂速度，甚至會影響計算結果。

那么什么樣的工況下，湍流參數會對計算結果產生影響，我們必須更精確的設置呢？

當剪切層內的湍流水平不比流動進出口處的湍流水平高很多，也就是說進出口邊界的湍流水平很高時，對待湍流參數要小心設置。

常見的情況比如外部流動（比如射流），進出口湍流水平可能會比邊界層內的湍流水平還要高，此時對于湍流參數的設置就重要很多。

3. 邊界湍流參數設置

3.1 湍流強度Turbulence Intensity I

湍流強度I被定義為脈動速度的均方根與平均流速的比值（--高等流體力學 歸柯庭 鐘文琪 編）。對于內部流動，氣流充分發展時公式如下：

其中，u'表示湍流脈動速度的均方根，uavg為平均速度，ReDH表示以水利直徑為特征長度的雷諾數。通過這個公式，我們能夠估算出湍流強度，當ReDH=50000時，湍流強度I=4%。

對于內部流，如果上游的氣流沒有充分發展，沒有受到干擾，可以使用低湍流強度。所謂低湍流強度是指湍流強度小于或等于1%，而大于10%的湍流強度被稱為高湍流強度。默認的湍流強度為5%。

我們設置這個參數時，可以先大概估算出工況的雷諾數，進而估算出湍流強度。或者自己能夠確定工況湍流水平的高低，然后大概給出湍流強度即可。

3.2 湍流長度尺度Turbulence Length Scale l

湍流長度尺度l與渦流的大小有關。完全發展的管內流動中，湍流長度尺度l與管道的物理尺寸之間存在近似關系：

其中L為特征長度，與管道尺寸相關，Cμ是k-e湍流模型的一個常數項系數，一般默認值為0.09。此系數可在Fluent k-e湍流模型中查詢到。

注：在低版本Fluent中，湍流長度尺度的計算公式

接下來最重要的就是確定L了

在充分發展的圓管湍流中，L為管道直徑。

但是，如果湍流擾動是由于流動中的障礙物，比如旋葉、穿孔板，則L應為障礙物的特征長度，而不是管道直徑。

對于非圓截面的管道，L為其水力直徑。

對于入口有湍流邊界層的壁面邊界流動，不需要通過上式計算，湍流長度尺度可直接確定為邊界層厚度的0.4倍。

3.3 湍流粘度比Turbulent Viscosity Ratio??μt/μ

湍流粘度比顧名思義，就是湍流粘度與流體動力粘度的比值。但是湍流粘度μt并不是物性參數，因此難以確定。眾多的湍流模型都是圍繞這個參數展開的。

對于標準的k-e模型，其中最重要的假設就是用湍動能k和湍流耗散率ε來表示湍流粘度μt，公式中的Cμ與上面公式相同。

我們要設置湍流粘度比，不必通過計算的方式，只需要大致估算即可。

一般湍流粘度比在1-10之間，默認值為10。

對于低湍流水平如外部自由流，湍流粘度比可設置為1。對于中等湍流水平，湍流粘度比可設置為10。而對于高湍流水平，這個數值最大可以設置為100。

大家在計算的過程中經常出現的一個問題，湍流粘度比被限制

Turbulent viscosity limited to viscosity ratio of 1.00e+05 in 1833454 cells

湍流粘度比過大，說明計算過程中湍流水平極高，已經達到了實際工況不可能的情況，Fluent對其進行限制。大概率是因為計算過程發散導致，因此需使計算收斂。

參考文章三十二、Fluent收斂判斷標準及方法

https://mp.weixin.qq.com/s/CBhO9yJhWhGxDUhzCQ_SNQ

3.4 估算湍動能Turbulent Kinetic Energy? k

湍動能是用來衡量湍流動能的物理量，用平均值和脈動值代替瞬時值后取平均，再將三方向方程相加，即得到湍動能方程。

以上定義不重要，我們只需知道可通過湍流強度I估算湍動能k，公式如下：

其中，uavg為流動平均速度

3.5 估算湍流耗散率Turbulent Dissipation Rate? ε?

湍流耗散率在不同的湍流模型中用不同的符號表示，比如在k-e模型中，用ε表示，而在k-ω模型中，則用ω表示。我們先介紹ε的計算公式。

湍流耗散率ε?可以由湍流長度尺度Turbulence Length Scale l來得到：

其中，k為湍動能，l為湍流長度尺度

湍流耗散率ε?也可由湍流粘度比turbulent viscosity ratio得到：

其中，k為湍動能，μ為流體粘度，ρ為流體密度。

3.6 估算湍流耗散率Turbulent Dissipation Rate? ω?

湍流耗散率ω可以由湍流長度尺度Turbulence Length Scale l來得到：

湍流耗散率ω?也可由湍流粘度比turbulent viscosity ratio得到：

3.7 水力直徑Hydraulic Diameter? DH??

水力直徑是指過流斷面面積與周長之比的四倍

其中，A表示流體斷面面積，P表示流體斷面周長。

對于圓管內流動來說，其本身的真實直徑就是水力直徑。而對于非圓管流或流體并沒有充滿管內，則需要用上述公式進行計算。

擬無限寬(W >> H)的平行板間流動，其水力直徑應近似取2倍的板間距(2H)而不是板間距本身。

3.8 估算修正湍流粘度Modified Turbulent Viscosity v

當湍流模型為Spalart-Allmaras模型(一方程模型)時，邊界湍流參數會出現修正湍流粘度Modified Turbulent Viscosity的設置

修正湍流粘度可以通過湍流強度和湍流長度尺度得到：

3.9 估算雷諾應力分量Reynolds Stress Components

當湍流模型為雷諾應力模型(RSM)時，邊界湍流參數會多出來雷諾應力分量Reynolds Stress Components的設置。

UU、VV、WW雷諾應力公式為：

UV、VW、UW雷諾應力公式為：

4. 總結

從3.1到3.9，本文幾乎涵蓋了Fluent湍流邊界參數設置的所有內容。

看起來好像有很多參數需要設置，但仔細分析就會發現，這些參數大多都不是獨立的。其中真正獨立的參數只有兩個。

也就是說9個參數，只要確定其中兩個，其他的參數都能夠通過公式計算得到。這也是為什么Fluent邊界湍流設置需要我們設置兩個參數。

再次重申一遍，大多數工況下，湍流參數只需要估計個大概即可，不需要通過精確的計算得到這些參數---原因請查看2.2。

本文到這里已經3000多字，也算是干貨滿滿吧。我希望我的公眾號每篇文章都能將一些參數設置的理論說清楚，讓大家設置Fluent參數時有所依據。如果只給出設置步驟，毫無靈魂。

原文鏈接（可找到源文件）：

三十三、Fluent邊界條件湍流參數設置詳解湍流邊界參數必須要很精確的設置嗎？并非如此！！！在大多數湍流中，邊界層內的湍流水平往往比流動進出口處的湍流水平高很多，因此流動進出口處的湍流設置對于計算結果常常沒有影響。https://mp.weixin.qq.com/s/4-79RF4XVeDhRFiz7HeQWw

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的三十三、Fluent边界条件湍流参数设置详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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