为什么窗户一关，门就推不动了？用FLUENT仿真揭开“空气活塞”真相
1 前言你有没有遇到过这样的场景：开着窗时，随手一推，房门悄无声息地合上了；可一旦窗户紧闭，同样的门却变得沉甸甸，稍不用力就关不严，甚至还会被弹回来。这看似莫名的阻力，其实是房间里看不见的空气在“搞鬼”——一场精巧的气压戏法。 我们生活在大气海洋的底部，空气看似轻盈，却无时无刻不在施加压力。当房间门窗紧闭时，它就成了一只近似密封的大盒子。关门时，门扇就像一个巨大的活塞，猛烈搅动室内的空气。 如果门是向内开的，推门动作会把门板前方的空气强行塞进房间。由于窗户紧闭，这些空气无处可逃，瞬间被压缩，室内气压急剧升高。这股高压空气形成了一堵看不见的“气垫”，牢牢顶住门板，让你感觉关门费力。相反，如果门向外开，拉门时则会从室内抽走空气，造成瞬时负压，室外较高的气压又会把门往回吸，同样产生抵抗。 而只要推开一扇窗，内外空气就能自由流通。无论门板是推还是拉，被驱赶的空气都能立刻从窗口排出或得到补充，气压始终平衡，那股对抗你的神秘力量自然就消失了。 这个原理在汽车上体现得更极致。轿车密封性远好于房间，如果车窗全关，最后关上的那扇门往往需要额外使劲才能合严，这正是车内空气被急剧压缩的表现。只要微微降下一点车窗，关门立刻变得轻松顺畅。 今天，我们用一个简单的案例模拟一下这个现象。 2 建模与网格创建如下的二维平面模型，该案例的模拟思路为，采用动网格技术模拟门的旋转，由于需要计算门所受的力矩（关门所需的动力），仅此必须创建室内空气域和室外空气域，室内空气域由墙壁、窗户（关闭时等效为墙壁）和门构成；室外空气域由外部边界构成。在ICEM划分三角形非结构化网格，注意由于门的旋转动作幅度很大，网格必然发生巨大变形，因此必然要采取网格重构（remeshing），三角形网格是最佳选择。  3 边界条件与求解设置设置理想气体模型首先，我们需要将空气设置为理想气体模型，以模拟空气的可压缩性，对于本案例，强烈建议用可压缩模型。  边界条件设置按下图示意设置边界条件，当窗户打开时，设置为inlet pressure边界，全压为0Pa；当窗户关闭时，设置为wall边界。室外的边界全部设置为outlet pressure，静压为0Pa，其余所有边界设置为wall，包括门。  动网格与UDF设置对门所在的wall设置刚体运动边界，运动类型为绕门轴做逆时针旋转（在模型中表示关门，对于二维模型，绕z轴旋转），角速度用UDF定义（代码如下），注意为了定义方便，我们建模的时候把门轴放在坐标原点（0,0）。另外，这里的门所在的壁面是一对，即wall和shadow，两者都要定义刚体运动。 
关门的角速度和模拟时间要适当匹配，避免计算终了时刻门完全关闭，因为这会给动网格处理带来难度，因为我们的模型将门完全关闭时，门的边缘和内墙壁边缘完全重合，动网格可能会出现负体积。还有一种方式是，门完全关闭时，门的边缘和内墙边缘留有一个微小距离，通过gap模型来处理。  参考值设置适当设置一下参考值，以便得到正确的无量纲结果，比如本案例我们要得到转矩系数Cm。对于该二维模型，参考长度为门的长度，参考速度为门边缘的线速度，参考面积为门的面积（长度×深度）  创建监视器创建监视器，监视门的转矩系数，同样需要注意将门的一对面都选上。  创建动画创建一个动画，观察门所在位置的空气流速演变情况。 4 计算结果首先，我们看一下开窗和关窗时，门的转矩系数Cm曲线，显然，关窗时的Cm显著大于开窗时，和前文所述一致。  |
