XFlow的边界条件和壁面函数浅谈

XFlow的边界条件和壁面函数浅谈

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XFlow做为有别于传统CFD的新一代流体动力学分析软件，可为我们多种复杂工况提供解决方案，做为后起之秀的担当，它提供了多种模型的复杂边界条件和高级壁面函数处理边界层问题，在一些功能的集成方面超越了传统CFD软件。 

拿2019x版本进行举例。如下图所示，XFlow除了提供通常的壁面Wall和inlet, outlet中速度、质量、压力等边界条件外，还提供了风扇（Fan model），多孔体积（porous volume）等复杂边界，可用于分析更复杂的现实工况。

对于Convective outlet对流出口边界条件，其出口位置的压力和速度是从内部外推的。当流动出口有回流时，压力出口Pressure outlet比对流出口Convective outlet具有更好的收敛效果，对流出口更适用于由不稳定性引起的反射波流动出口情形。质量流量边界只适用于可压缩流动，需指定入口质量流量。对于不可压缩流动，流体密度为常数，给定入口的速度后质量流量就已经确定了。对于风扇边界和多孔边界，因CAE从业者很少涉及，不是太熟悉，不进行过多阐释。 

对于虚拟水洞，XFlow还提供了不同的初始条件定义，如下图所示，用户可以使用默认或自定义，还可以使用Simulation data把对实际水洞的分析结果调入做为初始条件。

 

对于热边界条件，和传统CFD一样，XFlow提供了如下图所示的一些热边界，其中Volume heat source只能应用于多孔介质模型。值得注意的是，在2019x版本中，XFlow在以前版本的基础上进一步发展了CHT模型，CHT模型内嵌在几何模型中，在几何模型下指定固体的密度、导热系数和比热容等参数，可以同时求解流体的热对流和固体间的热传导，且可以定义体热源Volume heat，如下图所示。

但是目前有两个限制：

1、对固体定义了体热源后，无法再对其表面进一步定义Free convection对流换热边界；

2、对于内流场分析，如果内流场外部被有厚度的固体包围，无法在固体表面进一步施加Free convection对流换热边界，因为软件的算法设定流域只能在固体包围的区域；

目前上述两方面的功能赶不上传统CFD软件，希望以后的版本能在这些方面进行升级。

为了更真实地分析流动细节，XFlow提供了5种模式的壁面处理，如下图所示。需要特别说明的是，为了提高壁面附近流动的求解精度，XFlow的高级壁面模型统一采用非平衡壁面函数形式对壁面进行建模，处理粘性区与对数区间的连续混合区。

对于高Re数的流动，湍流和层流的壁面处理主要有两种边界处理方式：一是采用壁面函数进行插值的方式，计算出壁面边界层区域相对于边界层外充分发展的区域的流动物理变量的值；二是通过加密边界层网格进行处理的方式，这种办法对于超高速/流动分析等工况非常有效，但缺点也显而易见，即大幅增加计算量和计算时间，对硬件的要求非常高，从这方面来讲，壁面函数可能是操作性更强的一种办法。 

再细说一下几种壁面处理模式的区别。XFlow其实只有4种壁面模型。

1、  Automatic处理模式会自动选择Enhanced Wall-function模型；

2、  Resolved没有任何壁面处理，不考虑壁面附近流体运动的细节；

3、  Enhanced Wall-function模型是一种加强的壁面处理函数，壁面附近流动不考虑压力梯度的影响；

4、  Non-Equilibrium enhanced Wall-function是一种非平衡强化壁面函数，在求解边界层物理量时会考虑局部压力梯度的影响；

5、  Free-slip是一种自由滑移边界条件，即流体可以在壁面上自由滑动，壁面与流体之间不存在剪应力，这种壁面比较适合微观的复杂流动分析。

除了Resolved和Free-slip两种模型外，其他两种模型需要指定壁面的粗糙度roughness，这里的粗糙度非实际的粗糙度量值大小，比如Ra0.8，而是一个无量纲量，它是以仿真计算时壁面的求解格子尺度为参考长度进行计算的，其值在0~1之间。比如壁面的格子尺度是2mm，实际粗糙度大小是0.008mm，那么此处壁面的粗糙度设置成0.004。