易延泰

摘 要：对比分析了FLUENT软件中Interior、Coupled Wall和Periodic Repeats三种交界面处理方法，分析表明Periodic Repeats选项的Mesh Interface可用于正则和非正则的交界面。Coupled Wall交界面仅适用于正则的交界面。

关键词：交界面；涡轮；热分析

1 交界面处理方法

在FLUENT软件中，交界面可以使用内部界面（interior）和交界面（interface）来交换数据。对于交界面完全交叠的情况（正则网格），如图1（a），可以将交界面设置为内部界面（interior）或交界面（interface）二者中的任一种，不影响交界面间的数据交换。如果交界面不完全交叠（非正则网格），如图1（b）～1（d），则只能使用交界面（interface）。

FLUENT 15.0软件中，创建交界面（Mesh Interface）时有4个选项可选，如图2。本文只研究Periodic Repeats和Coupled Wall两个选项，其余Periodic Boundary Condition选项和Matching选项本文不讨论。

如果选择Coupled Wall选项，系统会在重合的区域（如图1（b）、1（c）中的A-B段）自动建立耦合壁面，两个计算域之间的数据在重合的区域通过耦合计算进行交换。不重合的区域分别建立一个固壁面（wall），以绝热壁面处理。

如果选择Periodic Repeats选项，则重合部分建立虚interior面，以耦合方法进行数据交换；不重合的部分，系统将对上游计算域的临近交界面网格的参数值作周期性扩展，周期长度为上游计算域的宽度，扩展若干个周期，如图3所示，并将扩展出的虚拟网格与下游计算域重合部分建立虚interior面，以耦合方法进行数据交换。但是在大多数情况下，虚拟网格与界面处的节点并不是一一对应的，这时通常需要通过插值的方法传递数据。

需要指出的是，这里所谓的上下游计算域，分别指的是在建立Mesh Interface对话框中，Interface Zone1和Interface Zone2中所选择的面所对应的计算域，见图2。

3 交界面间导热数值计算

本节以一维导热计算为例，说明Fluent中Coupled Wall选项和Periodic Repeats選项的两种交界面处理方法中，交界面间的数据处理方式。

假设在交界面交叠处，计算域1交界面上的节点a，临近节点b，节点上的温度分别为Ta、Tb；计算域2交界面上的节点A，临近节点B，节点上的温度分别为TA、TB。如图4所示。同时假设计算域1的导热系数为λ1，网格尺寸为δ1，计算域2的导热系数为λ2，网格尺寸为δ2。

系统在两侧交界面外侧分别延伸出一层虚拟网格，其尺寸为各自相邻的网格尺寸的一半，两侧虚拟网格相交于虚拟边界，见图4。此时，Periodic Repeats选项会在虚拟边界上建立一个虚拟的interior面，而Coupled Wall选项则不建立interior面。Periodic Repeats选项的交界面附近的热量传递公式见公式（1）：

Coupled Wall选项的交界面附近的热量传递公式见公式（2）～（3）：

理论上，若接触面没有接触热阻的话，应该有 ，而从公式（1）中可见， 与 显然是不相等的，可见Periodic Repeats选项的交界面处理方法会给计算带来误差，该误差与网格大小有关，网格越小，误差越小。

4 Fluent计算

为验证上文所述理论，建立三个计算模型在Fluent中进行固体导热计算：计算模型1的交界面完全重合；计算模型2的交界面无交叠；计算模型3的交界面部分交叠，如图5～7所示。计算模型的计算域1和2是以x轴为旋转轴、周期角度皆为10°的周期扇形段，面E1、E2分别为计算域1和计算域2的交界面，A面给定温度值800℃，B面给定温度值300℃，除两侧周期面以及交界面外，其余壁面均做绝热处理。

对于计算模型1，将交界面网格分别设置为Interior、Coupled Wall和Periodic Repeats三种类型，做导热计算。

对于计算模型2和计算模型3，将交界面网格分别设置为Coupled Wall和Periodic Repeats两种类型，做导热计算。

上述设置是为对比各种交界面处理方法对计算结果的影响，为对比网格大小的影响，本文分别设置了总网格数为8125和520000的两种网格密度，按上述设置分别进行计算对比。表1～3是各方案下交界面的平均温度。

从表1～表3的数据可见：

（1）当交界面完全重合时，Coupled Wall和Interior面的计算值相同，皆为理论值，Periodic Repeats面的计算值与理论值有一定误差，当网格加密时，误差减小。

（2）交界面部分重合时，Coupled Wall交界面只有重合的部分有数据交换，不重合的部分为绝热，因此计算值与理论值有很大偏差，网格密度也无助于误差的减小；而Periodic Repeats面的计算值与交界面完全重叠时的计算值相同。

（3）交界面完全无交叠时，Coupled Wall交界面面完全绝热，交界面间无数据交换；Periodic Repeats面的计算结果与之前两种交叠形式的计算结果一样。

从以上分析可见，Coupled Wall和Interior交界面只适合在交界面完全重合的情况下使用，而Periodic Repeats面则适用于各种交界面交叠的情况，影响其计算结果的仅是网格密度而已。

4 结论

FLUENT15.0中Periodic Repeats选项的Mesh Interface可用于正则和非正则的交界面，网格密度会对交界面上的计算值有一定的影响。Coupled Wall交界面仅适用于正则的交界面，网格密度对交界面上的计算值无影响。

参考文献

[1] 周华，孙为民，徐丽等. FLUENT全攻略. [EB/OL].[2005].http：//www.cfluid.com/

[2] 祝昭. 转静交界面处理方法研究及涡轮结构与气动分析[D]，南京，南京航空航天大学，2008.