STAR CCM+边界条件设置指南：仿真精度的关键

在CFD计算时边界条件的设置是十分重要的一个环节，边界条件的准确与否会直接影响最终的计算结果，计算的收敛速度，计算假设的合理性等等。边界条件表示的是使用数学的方法将求解域与外部空间相互作用的结果，使用边界上条件进行假设。值得注意的是一个CFD求解精度只能达到边界条件的精度。

1.边界条件类型概述

从求解空间上分可以分为内流场和外流场：

下图是内流场示意图，一般类型的内流场包含了入口、出口和壁面。入口有速度入口、质量流量入口和总压入口；出口有出口和静压出口；壁面有光滑壁面、粗糙壁面、移动壁面、绝热壁面等等。在STARCCM+中使用不同的图标表示出来。

下图是外流场示意图，一般类型的外流场包含了入口、出口和壁面。入口有速度入口、质量流量入口和总压入口；出口有出口和静压出口；目标壁面有光滑壁面、粗糙壁面、移动壁面、绝热壁面等等；地面有光滑壁面、粗糙壁面、移动壁面、绝热壁面等等；顶部面有对称和滑移等。在STARCCM+中使用不同的图标表示出来。

2.壁面边界条件

在流动状态下壁面边界条件包含三种情况，剪切应力的假设、表面粗糙度假设、表面速度假设。如下图所示，剪切应力假设：当表面设置为滑移状态时表面速度与求解域内第一层网格内速度相等，反之当表面无滑移时表面速度为0；粗糙度假设：当表面设置为0时表面速度将不受粗糙度K的影响，反之则受影响；表面速度假设：相当于在壁面设置了速度矢量，表面的速度为u不再为0，那么整个求解域的计算将受到壁面速度u的影响。

表面速度假设对整场速度分布的影响最大，以一个案例来解释对整场速度分布的影响如下图所示。求解域有一个进口，两个出口，最顶部的壁面考虑静止和移动后对整场速度的影响。左图为静止的壁面两出口处的气流分布由压力驱动，两出口流量不一致，在整个上部空间形成较大的漩涡，涡旋强度较小；右图为移动壁面，顶部表面加载了一个与主流速度相反的速度矢量，在该表面下方存在一个较大的漩涡，增加速度矢量后使得漩涡的强度增加，导致整个流场内速度分布发生较大的变化甚至影响到下部空间。

当表面需要考虑换热效应时，表面可以考虑四种假设：绝热情况下与外界无热交换；恒定的热流，该表面存在恒定的热流；表面温度假设时使用热传导方程进行计算；表面对流换热系数假设时使用对流换热方程进行计算。