Fluent求解器壓力解析

01

前言

在流場分析中，壓力作為一個基本變量(其它的基本變量包括：速度、溫度、組分、密度等)存在，深刻的了解壓力這個變量尤為重要；

而CFD計算中又涉及到多種壓力，經(jīng)常令很多新手感到茫然，以Fluent求解器為例，本篇章就壓力的類型、關(guān)系等進行一個簡單的整理分析；

主要內(nèi)容包括：

▊ 靜壓(static pressure)

▊ 動壓(dynamic pressure)

▊ 總壓(total pressure)

▊ 當?shù)卮髿鈮?local air pressure)

▊ 絕對壓力(absolute pressure)

▊ 操作壓力(operating pressure)

▊ 參考壓力

▊ 表壓(gauge pressure)

▊ 駐點壓力

02

壓力解析

▓ 靜壓(static pressure)

?就是我們尋常意義上的壓力，可以用壓力表測量獲得；

?大小反應(yīng)單位體積流體具有的靜壓能；

?有正負之分，正壓表示高于周圍大氣壓，靜壓表示低于周圍大氣壓；

?在fluent中靜壓的英文名稱為static pressure；

?在cfx中，pressure就是指的靜壓；

▓ 動壓(dynamic pressure)

?與速度相關(guān)，具有方向性。

?其值為密度與速度平方的乘積的一半，大小與參考壓力無關(guān)，主要受當?shù)卮髿鈮汉蛠砹魉俣鹊挠绊?，?shù)值恒正；

?平行于流動方向的平面承受動壓為0；

?垂直流動方向的平面承受的動壓最大；

?在不可壓流動中，速度越大的位置，則動壓越大。

▓ 總壓(total pressure)

?總壓是靜壓(static pressure)與動壓(dynamic pressure)的和。

▓ 當?shù)卮髿鈮?local air pressure)

▓ 駐點壓力

?也稱為全受阻壓力(全壓)或滯止壓力，等于氣流在滯止狀態(tài)下靜壓與動壓的和。

? 那么什么是滯止狀態(tài)呢？

?氣流的速度從某一狀態(tài)絕熱等熵地降到速度為零的狀態(tài)稱為（該狀態(tài)的）滯止狀態(tài)；

?滯止狀態(tài)下的參數(shù)稱為滯止參數(shù)，在滯止狀態(tài)下，流體速度為0，氣體的內(nèi)能達到最大，壓強、溫度等參數(shù)也達到最大；

?例如物體在流體中運動時，在正對流體運動的方向的表面，流體完全受阻，流體速度為0，此處的壓力便稱為全受阻壓力(簡稱全壓或駐點壓力)；

? 對于不可壓縮流體和可壓縮流體的壓力采用不同的計算方式_

?對于不可壓縮流，依據(jù)伯努利方程：P0＝Ps+1/2*ρ|υ|^2 (總壓＝靜壓+動壓)

?對于可壓縮流體：P0=Ps(1+(γ-1)/2*M^2)^(γ/(γ-1))

P0=駐點壓力

Ps=靜壓

M=馬赫數(shù)

γ＝比熱比(定壓比熱/定容比熱)

【注意】

?靜壓Ps中包括ρgh重力勢能部分，對于氣體，可忽略重力；

▓ 在Fluent中又定義了幾個壓力_

▓ 絕對壓力(absolute pressure)

絕對壓力=操作壓力+表壓

▓ 操作壓力(operating pressure)

操作壓力是人為指定的參考壓力；

在Fluent中可通過Physics_Solver Operating Conditions進行操作壓力設(shè)置

?對于不涉及任何壓力邊界條件的不可壓縮流動，ANSYS FLUENT在每次迭代后要調(diào)整表壓值。這個過程通過使用參考壓力位置處(或該位置附近)節(jié)點的壓力完成。因此，參考壓力位置處的表壓應(yīng)一直為0。如果使用了壓力邊界條件，則不會使用到上述關(guān)系，因此參考壓力位置不被使用。

?參考壓力位置默認為等于或接近(0,0,0)的節(jié)點中心位置。實際計算中可能需要設(shè)置參考壓力位置到絕對靜壓已知的位置處。在Operating Conditions對話框中的Reference Pressure Location選項組中設(shè)置新的參考壓力位置的x,y,z的坐標即可。

?如果要考慮某一方向的加速度，如重力，可以勾選Gravity復選框。

▓ 表壓(gauge pressure)

在Fluent中，靜壓和表壓相同，只是表述方式不同；

▓ 相對總壓(relative total pressure)

相對總壓與總壓相同；

之所以出現(xiàn)絕對壓力，主要是從數(shù)值上考慮。比如說，若計算域內(nèi)各位置的壓力值都很大，而在整個計算過程中壓力變化很小的話，則在計算過程中容易出現(xiàn)壓力變化值被湮沒的情況。此時需要將參考壓力設(shè)置為一個較大的值，以使各相對壓力值與壓力變化值在一個數(shù)量級內(nèi)，這樣能夠提高數(shù)值精度。

?CFD軟件計算的壓力值都是相對值。若想要得到絕對壓力值，需要加上操作壓力或在計算時將參考壓力值定為0。FLUENT默認參考壓力值為一個大氣壓101325Pa。

?上述的幾個壓力實際上有些是可以一一對應(yīng)的，只是在表述上存在差別而已；

?具體壓力類型的選擇，還是要根據(jù)自己的工況來確定。