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变量边界及初始值设置模块手册

1. 模块概述​

模块名称：变量边界及初始值设置模块

功能说明：此模块是CFD仿真的核心配置环节，用于为求解变量（压力、速度、相分数、输运标量等）设置初始条件和边界条件。边界条件和初始值共同构成定解问题，是保证仿真具有唯一正确解的数学基础。

物理意义：

  • 初始条件：定义仿真开始时（t=0）整个计算域内各变量的分布
  • 边界条件：定义计算域边界上变量的行为，描述外部环境对计算域的影响

配置原则：

  1. 适定性原则：必须为每个求解变量提供足够且不矛盾的初始边界条件
  2. 物理真实性原则：边界条件应反映真实的物理环境
  3. 数值稳定性原则：边界条件设置应避免导致数值计算发散

2. 变量选择与界面布局​

2.1. 变量标签栏​

功能说明：这是一个标签式界面，允许用户分别为五个主要变量类别设置初始值和边界条件：

  • 压力：静压或表压场
  • 速度：速度矢量场（u, v, w）
  • 1号流体相：第1种流体（如water）的体积分数场
  • 2号流体相：第2种流体（如air）的体积分数场
  • 输运项：运输项的相分数场
  • 温度：温度场

操作方式：点击相应标签（如"压力"、"速度"）切换到对应变量的设置界面。

2.2. 注意点​

界面功能：软件会根据所选择的求解器，自动开放对应的边界条件，若找不到对应的边界条件，请检查求解器选择项！

3. 内部初始场设置​

3.1. 压力初始场​

参数含义：定义整个计算域内压力的初始值 单位：帕斯卡（Pa） 设置说明：

  • 举例：设置初始为0表示初始时刻整个计算域的压力为0 Pa

物理考虑：

  1. 压力场的物理意义：此处压力场并不是总压，而是(总压 - rho * g * h)
  2. 压力参考点：对于不可压缩流，压力值可差一个常数，通常设置总压的参考压力点

3.2. 其他变量初始场（切换标签后可见）​

速度初始场：

  • 设置初始速度矢量 (u, v, w)
  • 通常初始速度为0，除非模拟启动流或已发展流动

相分数初始场：

  • 在"初始相场设置"模块中详细定义
  • 此处可能只设置全局默认值

输运项初始场：

  • 设置标量（浓度、温度、湍动能等）的初始分布

4. 边界条件设置​

4.1. 边界选择与列表​

功能说明：

  • 软件会自动识别并列出当前计算域中已定义的边界类型

操作逻辑：

  1. 从列表中选择一个边界（如OUTLET）
  2. 为该边界设置边界类型和参数值
  3. 切换到另一个边界（如WALLS）继续设置

4.2. 边界类型选项​

4.2.1. 固定值​

物理意义：边界上的变量值固定为给定常数 应用场景：

  • 压力：指定入口/出口压力
  • 速度：指定入口速度（入口边界）
  • 相分数：指定边界处的相组成
  • 温度：指定边界处的温度
  • 输运项：指定边界处的浓度

4.2.2. 固定梯度​

物理意义：边界上变量的法向梯度固定 应用场景：

  • 压力：零梯度（出口常用）
  • 速度：指定剪切速率（极少使用）
  • 相分数：零梯度（壁面边界常用）
  • 输运项：零梯度（壁面边界常用）

4.2.3. 自定义​

功能说明：通过输入txt文件，将其作为边界条件 应用场景：

  • 随时间变化的边界条件（脉动流）
  • 空间变化的边界条件（非均匀入口）
  • 参考算例：FSI-07-Simple_Ship_Boundary_Change
  • 参考例子：U_boundary_time.txt表示随时间变化
  • 参考例子：U_boundary_z.txt表示随z坐标变化
  • 参考例子：U_boundary_time_z.txt表示同时随z坐标和时间变化

4.2.4. 局部固体​

功能说明：若边界部分有固体，需要将其设置为局部固体边界 软件处理：若该区域局部被固体覆盖，则会将被覆盖的边界面作为无滑移壁面边界 应用场景：

  • 部分堵塞的管道
  • 过滤器或格栅

4.2.5. 周期性边界​

物理意义：边界上的值与另一对应边界上的值相等（周期性条件） 应用场景：

  • 减少计算域大小（如管流的周期性截面）
  • 无限阵列模拟（如管束、翅片阵列）

4.2.6. 出口边界​

特殊说明：这是一个预定义的边界类型，通常自动处理为：

  • 压力：出流为零梯度，入流为固定压力值
  • 速度：零梯度
  • 其他变量：零梯度

4.3. 边界值设置​

参数含义：根据选定的边界类型，设置相应的值或参数 当前示例：

  • 边界：OUTLET
  • 值：0 Pa（出口表压为0，对应大气压）

6. 配置流程与示例​

6.1. 标准配置流程​

  1. 切换变量标签：从压力、速度、相分数、输运项中选择要设置的变量
  2. 设置内部初始场：为整个计算域指定该变量的初始值
  3. 选择边界：从边界列表中选择一个边界块（如OUTLET）
  4. 选择边界类型：根据物理需求选择边界类型
  5. 设置边界值：输入相应的值或参数
  6. 重复3-5：为所有边界设置该变量的边界条件
  7. 切换变量：重复2-6为其他变量设置边界条件

6.2. 示例：管道流动边界条件设置​

物理场景：水平圆管，左侧入口，右侧出口，管壁为壁面

6.2.1. 压力边界设置​

  1. 切换到"压力"标签
  2. 内部初始场：0 Pa（整个域初始压力为大气压）
  3. 边界"INLET"：
    • 类型：固定梯度
    • 值：0 Pa/m（入口压力法向梯度为0）
  4. 边界"OUTLET"：
    • 类型：固定值
    • 值：0 Pa（出口压力为大气压）
  5. 边界"WALLS"：
    • 类型：固定梯度
    • 值：0 Pa/m（壁面压力法向梯度为0）

6.2.2. 速度边界设置​

  1. 切换到"速度"标签
  2. 内部初始场：(0, 0, 0)（初始静止）
  3. 边界"INLET"：
    • 类型：固定值
    • 值：(1.0, 0, 0)（x方向1 m/s）
  4. 边界"OUTLET"：
    • 类型：固定梯度
    • 值：(0, 0, 0)（出口速度零梯度）
  5. 边界"WALLS"：
    • 类型：固定值
    • 值：(0, 0, 0)（无滑移壁面）

6.2.3. 相分数边界设置（水-空气两相流）​

  1. 切换到"1号流体相(water)"标签

  2. 内部初始场：1（管道充满水）

  3. 边界"INLET"：

    • 类型：固定值
    • 值：1（入口流入水）

  4. 边界"OUTLET"：

    • 类型：零梯度或对流出口

  5. 边界"WALLS"：

    • 类型：零梯度

  6. 切换到"2号流体相(air)"标签

    • 系统通常自动计算互补值（1-α_water）

7. 边界条件组合的物理一致性​

7.1. 必须满足的约束条件​

  1. 质量守恒：入口总质量流量 = 出口总质量流量 + 累积量
  2. 压力-速度协调：避免过压（over-specified）或欠压（under-specified）
  3. 相分数协调：所有相的分数和为1，边界条件需保持一致

7.2. 推荐的边界条件组合​

流动类型压力边界速度边界推荐原因
强制对流（管道）出口：固定压力入口：零梯度入口：固定速度出口：零梯度最稳定，易于收敛
自然对流所有壁面：零梯度所有壁面：无滑移压力由浮力驱动
开口容器流动自由表面：固定压力底部：零梯度入口（若有）：固定速度壁面：无滑移模拟大气压力作用
周期性流动周期性边界周期性边界减少计算域

7.3. 避免的边界条件组合​

  1. 同时指定入口压力和入口速度：过约束，可能导致发散
  2. 出口无约束：欠约束，压力场可能漂移
  3. 矛盾的相分数边界：如入口同时指定水和空气都为1

8. 常见问题与解决方案​

8.1. 计算发散​

可能原因：

  1. 边界条件物理上不合理（如入口压力远大于出口压力）
  2. 初始场与边界条件差距过大
  3. 压力-速度边界条件过约束

解决方案：

  1. 检查压力梯度是否合理，减小压差
  2. 设置更接近稳态的初始场
  3. 确保只指定压力或速度中的一个（在给定边界）

8.2. 回流问题​

现象：出口边界出现反向流动 原因：出口压力设置过高或下游有障碍

解决方案：

  1. 降低出口压力设置
  2. 使用离散模块的反流修正系数
  3. 延长出口段或调整几何

8.3. 质量不守恒​

现象：计算域内质量不断增加或减少 原因：

  1. 入口和出口流量不平衡
  2. 相分数边界条件导致相产生/消失

解决方案：

  1. 检查并调整入口/出口速度或压力
  2. 验证相分数边界条件的物理合理性
  3. 启用质量守恒监控和修正

8.4. 壁面附近异常​

现象：壁面附近速度或压力异常 原因：

  1. 壁面边界条件类型错误
  2. 近壁面网格太粗

解决方案：

  1. 确认壁面使用正确边界条件（无滑移为固定值0）
  2. 在壁面附近加密网格