第二章 涡轮增压器压气机流场计算

2.6.3 控制方程及湍流模型

    压气机非定常流场计算所用的控制方程组及湍流模型与前面定常流场计算相同，控制方程采用三维雷诺守恒型N-S方程，湍流模型采用RN Gk-ε模型，并取标准壁面函数。

2.6.4 边界条件与初始条件

    给出空间离散和求解算法后，方程的求解还需要给定适当的初始条件和边界条件，它的合理与否也会影响计算收敛情况以及计算精确程度。

    1.迭代的初始条件

    迭代的初始条件是控制方程进行时间推进求解的初始参考状态，数值计算实验表明：初始场的选择一般并不影响最终所要得到的数值结果，但对达到收敛所需要的时间有很大影响，而且如果初始条件选择不当，会导致计算结果不收敛。因此，为了提高计算效率，选择高质量的初始条件是非常必要的。

    2.边界条件

    边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值，它是FLUENT软件分析关键的一部分。在FLUENT中，有针对各种不同实际情况的进出口边界条件形式，它们可以自由组合，以形成合理的数值计算边界条件。边界条件分为：进出口边界条件，包括压力、速度、质量进口、进风口、进气扇、压力出口、压力远场边界条件、质量出口、通风口、排气扇；壁面边界条件，包括壁面、对称、周期等；内部单元区域边界条件，包括流体、固体；内部表面边界条件，包括风扇、散热器、多孔跳跃、壁面、内部等。

    其中经常用到的边界条件有：

    (1)压力入口边界条件  压力入口边界条件用于定义流动入口的压力以及其他标量属性。它既适用于可压流，也可以用于不可压流。压力入口边界条件可用于压力已知但是流动速度和/或速率未知的情况。这一情况可用于很多实际问题，比如浮力驱动的流动。压力人口边界条件也可用来定义外部或无约束流的自由边界。

    (2)速度入口边界条件  给定入口边界上的速度以及其他相关标量值。该边界条件适用于不可压缩流动问题，对可压缩问题不合适，否则该入口边界条件会使入口处的总温度或总压力有一定的波动。

    (3)质量入口边界条件  该边界条件用于规定入口的质量流量。为了实现规定的质量流量中需要的速度，就要调节当地入口总压力。这和压力入口边界条件是不同的，在压力入口边界条件中，规定的是流入驻点的属性，质量流量的变化依赖于内部解。当匹配规定的质量和能量流速而不是匹配流入的总压时，通常就会使用质量入口边界条件。

    (4)压力出口边界条件  压力出口边界条件需要在出口边界处指定静压。静压值的指定只用于亚声速流动。如果当地流动变为超声速，就不再使用指定压力了，此时压力要从内部流动中推断。所有其他的流动属性都从内部推出。

    在解算过程中，如果压力出口边界处的流动是反向的，回流条件也需要指定。如果对于回流问题指定了比较符合实际的值，收敛性困难就会被减到最小。

    (5)质量出口边界条件  当流动出口的速度和压力在解决流动问题之前是未知时，FLUENT软件会使用质量出口边界条件来模拟流动。不需要定义流动出口边界的任何条件，FLUENT软件会从内部推导所需要的信息。

    (6)壁面边界条件  壁面边界条件用于限制流体和固体区域。在粘性流动中，壁面处默认为非滑移边界条件，但是也可以根据壁面边界区域的平动或者转动来指定切向速度分量，或者通过指定剪切来模拟滑移壁面，也可以在FLUENT软件中用对称边界类型来模拟滑移壁面，但是使用对称边界就需要在所有的方程中应用对称条件。

    (7)周期性边界条件  周期性边界条件用来解决物理模型，流动和换热具有周期性重复的特点。FLUENT提供了两种类型的周期性边界条件。第一种类型不允许通过周期性平面具有压降，第二种类型允许通过平移周期性边界具有压降，它能够模拟完全发展的周期性流动。

    本节压气机非定常计算以定常稳定状态为初始场，入口处质量流量为0.087kg/s，出口边界条件静压为标准大气压，壁面采用无滑移条件。当解呈现周期性变化即认为达到稳态。