来自：IDAJ中国Ansys技术团队 徐淑君
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随着仿真工况的日益复杂，在数值模拟中经常会遇到一些无法在界面上直接赋值的边界条件，比如按一定空间位置排列，随时间变化，或和某个变量相关等等。越来越多的工程师希望对边界条件进行自定义设置。
Ansys Fluent中有以下几种自定义边界条件的方法：
– 利用profile文件赋值
– 采用Fluent Expressions定义
– 编写UDF
今天，我们来了解一下如何采用Fluent Expressions定义边界条件。
从2019版本开始，Fluent中加入了和CFX中的表达式功能类似的“Fluent Expression Language”（表达式语言）。它是一种基于Python的解释型的声明式语言，是由数值、变量、运算符、函数组成的可以返回一定值的字符串，例如，Vmax*(5.0*exp(-t-0.3 [s]/2.8 [s]))。
表达式可以指定与时间、迭代步、位置、求解变量相关的复杂的边界条件和源项，基于时间和迭代步指定不同的模型和求解器设置。同一个表达式对Windows和Linux都适用。
表达式可以取代部分UDF、Scheme、Journal的功能，虽然不能完全取代，但比UDF、scheme更加易学易用，是非常值得学习的一个功能。
表达式的值可以是实数，整数，布尔值或数量。数量是具有量纲的实数。数量格式为 []，例如2324.0 [Pa kg ^ -3 s]。
表达式的计算结果可以是实数，布尔值，实数场或布尔值场。例如，2 * StaticPressure在一个区域上计算时，会返回real field（实数场）；而average（2 * StaticPressure，[“ inlet”]）返回的是一个实数值。
表达式包含很多运算符和函数，如下表所示。
|
描述 |
函数 |
|
运算符 |
+, -, *, /, ** (power), ^ (power), >, >=, |
|
传统 |
AND(, , …) IF(, , ) NOT() OR(, , …) XOR() |
|
双曲线 |
acosh() asinh() atanh() cosh() sinh() tanh() |
|
数学 |
abs() *besselJ(n**, ) *besselY(n**, ) ceil() exp() floor() gradient() log() log10() max(, , …) min(,, …) mod(, ) normalize(,[,…]) round() sqrt() step() trunc() *besselJ 是第一类贝塞尔函数，besselY 是第二类贝塞尔函数。 **n 必须是“double”类型的常量。 |
|
归约 |
Area([, , …]) AreaAve(Field, [‘location’]) AreaInt(Field, [‘location’]) *Average(, [, , …], Weight= ) Centroid([‘location’]) Count([‘location’]) CountIf(Boolean_Expr, [‘location’]) Force ([‘location’], …) MassAve(Field,[‘location’]) MassFlow([‘location’]) MassFlowAve(Field, [‘location’]) MassFlowAveAbs(Field, [‘location’]) MassFlowInt(Field, [‘inelt1’], [‘inlet2’]) MassInt(Field, [‘location’]) Maximum(, [, , …]) Minimum(, [, , …]) Moment(, [‘location’]) PressureForce([‘location’], …) *Sum(, [, , …], Weight= ) SumIf( Field, Boolean_Expr, [‘location’], Weight=[Weight]) ViscousForce([, , …]) Volume([, , …]) VolumeAve(Field, [‘location’]) VolumeInt(Field, [‘location’]) |
|
三角 |
acos() asin() atan() atan2(, ) cos() sin() tan() |
|
矢量 |
cross(, ) dot , ) unitVector(, , ) .dir vector(, , , [“unit”]) |
不要在单个表达式中使用多个比较运算符，因为该运算将无法正常工作。 例如，400 [K]> StaticTemperature> 300 [K]将不起作用。要完成此表达式，请使用AND（StaticTemperature> 300 [K]，StaticTemperature ）。
表达式的数据主要来源有场变量、求解变量、科学常数、别名（Aliases）、profiles。Fluent 后处理场变量的子集可用于表达式。求解变量有当前时间Time、当前时间步Timestep、当前时间步长DeltaTime 和全局迭代次数Iteration。
科学常数，如下表所示。
|
变量 |
描述 |
值 |
|
PI |
圆周率Pi |
3.14159265358979323846 |
|
e |
自然对数的底数e |
2.71828182845904523536 |
|
R |
气体常数 |
8.314472 [J K^-1 mol^-1] |
|
avogadro |
阿伏伽德罗常数 |
6.02214199e23 [mol^-1] |
|
boltzmann |
玻尔兹曼常数 |
1.3806503 [J K^-1] |
|
clight |
光速 |
2.99792458e8 [m s^-1] |
|
echarge |
电子电荷 |
1.60217653e-19 [A s] |
|
g |
重力加速度 |
9.8066502 [m s^-2] |
|
planck |
普朗克常数 |
6.62606876e-34 [J s] |
|
stephan |
斯蒂芬–玻尔兹曼常数 |
5.670400e-08 [W m^-2 K^-2] |
|
mupermo |
磁导率 |
4.0*PI*1.0e-7 [N A^-2] |
|
epspermo |
介电常数 |
1./(clight*clight*mupermo) |
利用别名可以引用一些常用的参数，如下表所示。
|
别名 |
变量 |
|
x |
Position.x |
|
y |
Position.y |
|
z |
Position.z |
|
u |
Velocity.x |
|
v |
Velocity.y |
|
w |
Velocity.z |
|
t |
Time* *在稳态下，时间评估为 0，除非案例在瞬态中运行，然后切换到稳态，在这种情况下，它将评估为瞬态运行的最晚时间。 |
|
dt |
DeltaTime* *在稳态下，增量时间评估为 0，除非案例在瞬态运行，然后切换到稳态，在这种情况下，它将评估为瞬态运行的最新增量时间。 |
|
iter |
Global iteration count |
|
T |
StaticTemperature |
|
P |
StaticPressure |
|
mf |
MassFraction |
|
Amag |
FaceAreaMagnitude |
|
vol |
CellVolume |
|
mass |
CellVolume*Density |
可以在表达式中使用profile来指定边界和单元区域条件，用于后处理和归约操作。profile是可以导入到 Fluent 中的表格数据，除了一个或多个因变量列之外，通常还包含 X、Y 和 Z 列（对于空间profile）或时间（对于瞬态profile）。在表达式中使用profile之前，您必须加载一个或多个profile。
profile表达式需要以下输入：profile(‘’, ‘’, frame=‘’)（reference frame参数仅适用于空间profile）。定义profile表达式后，您可以为所需的边界条件或单元域条件字段选择它。
profile表达式示例如图1。
图1 profile表达式
余下内容请见应用技巧| Ansys Fluent边界条件自定义设置（二）——Fluent Expressions（下）。
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