1.6　边界条件

对于求解流动和传热问题，除了使用上节介绍的三大控制方程外，还要指定边界条件，对于非定常问题还要指定初始条件。

边界条件就是在流体运动边界上控制方程应该满足的条件，一般会对数值计算产生重要的影响。即使对于同一个流场的求解，随着方法的不同，边界条件和初始条件的处理方法也不同。

在CFD模拟计算时，基本的边界类型包括以下几种：

（1）入口边界条件。

入口边界条件就是指定入口处流动变量的值。常见的入口边界条件有速度入口边界条件、压力入口边界条件和质量流量入口边界条件。

速度入口边界条件：用于定义流动速度和流动入口的流动属性相关的标量。这一边界条件适用于不可压缩流，如果用于可压缩流会导致非物理结果，这是因为它允许驻点条件浮动。应注意不要让速度入口靠近固体妨碍物，因为这会导致流动入口驻点属性具有太高的非一致性。

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

质量流量入口边界条件：用于已知入口质量流量的可压缩流动。在不可压缩流动中不必指定入口的质量流量，因为密度为常数时，速度入口边界条件就确定了质量流量条件。当要求达到的是质量和能量流速而不是流入的总压时，通常就会使用质量入口边界条件。

说明

调节入口总压可能会导致解的收敛速度较慢，当压力入口边界条件和质量流量入口边界条件都可以接受时，应选择压力入口边界条件。

（2）出口边界条件。

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表压。表压值的指定只用于亚声速流动。如果当地流动变为超声速，就不再使用指定表压，此时压力要从内部流动中求出，包括其他的流动属性。

在求解过程中，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，收敛性困难问题就会不明显。

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，可以使用质量出口边界条件来模拟流动。需要注意的是，如果模拟可压缩流或者包含压力出口时，不能使用质量出口边界条件。

（3）固体壁面边界条件。

对于黏性流动问题，可设置壁面为无滑移边界条件，也可指定壁面切向速度分量（壁面平移或者旋转运动时），给出壁面切应力，从而模拟壁面滑移。可以根据当地流动情况，计算壁面切应力和与流体换热情况。壁面热边界条件包括固定热通量、固定温度、对流换热系数、外部辐射换热、对流换热等。

（4）对称边界条件。

对称边界条件应用于计算的物理区域是对称的情况。在对称轴或者对称平面上，没有对流通量，垂直于对称轴或者对称平面的速度分量为0。因此在对称边界上，垂直边界的速度分量为0，任何量的梯度为0。

（5）周期性边界条件。

如果流动的几何边界、流动和换热是周期性重复的，则可以采用周期性边界条件。