Fluent中静水压力的处理

注意事项：本文基于2025R1版本编写，其他版本可能在界面设置和算法上有差异。

1 概述

水利工程等大尺度问题中，需要考虑静水压力的影响。例如大坝设计为底部粗上部细的梯形，因为底部承受更大的静水压力。

大坝渲染图（图源：senstar.com）

静止的液体，压力是深度的线性函数：

上式中考虑了液面的气体压力，即计算值为绝对压力。在液面处，液体的绝对压力和气压相等。

流动的液体，同一流线不同位置的压力值可使用伯努利方程估算：

2 Fluent设置

2.1 设置内容

对于仅考虑液体域的单相流场，若需要考虑静水压力，在操作条件设置中需要以下设置：

• 开启重力并正确设置重力方向

• 指定操作密度为 0

2.2 案例对比

分析对象为边长 100 m 的立方体，流体介质为水，重力方向为 Z 轴负向。立方体顶面为压力值为 0 的压力出口，侧面和底面均为壁面。

根据静水压力计算公式，带入水的密度 998.2 kg/m^3 和重力加速度 9.8 m/s^2 可计算得到底部和顶部压力差为 978 kPa。

不同设置下，压力分布结果对比如下所示，所有设置方案均开启重力。

1 不指定操作压力，压力几乎为 0

2 指定操作密度为水的密度（998.2 kg/m^3），压力为 0

3 指定操作密度为 0，可正确计算静水压力

4 指定操作密度为 500 kg/m^3（约为水密度的0.5倍），可计算静水压力但结果不正确

5 设置速度固定为0，压力始终为0

3 原因分析

Fluent 中对于重力源项，处理方式为：

其中 ρ 和 ρ0 分别为流体密度和操作密度。

操作密度默认为所有单元的密度平均值。液体通常使用常密度方法定义，因此在默认设置下，操作密度等同于液体密度，算法层面就无法考虑静水压力。