weixin 发表于 2020-10-26 16:35

基础理论:判别流动基本特征

我一直对流体的各种形态特别的混淆:瞬态还是稳态、可压还是不可压、单相还是多相等。难处在于,有一些计算流体力学跟经典流体力学的概念并不完全一致,还有一些虽然知道差别,但不知道针对实际问题如何去界定(或简化)。

理想流体与粘性流体
流体在运动时,相邻的两层流体间会相对运动,从而产生类似“层间滑动摩擦力”的阻力,称之为粘性应力。实际流体都是有粘度的,粘性大小依赖于流体的性质并受到温度的显著影响。对于CFD而言,空气和水等粘性较小的流体在运动相对速度较小时,可以视为理想流体,即无粘流体。事实上,当粘性应力显著地小于其他类型的力(如惯性力)时,便有理由忽略粘性。
层流与湍流(紊流)
一般来说,层流指流体在流动过程中两层之间没有相互掺混。CFD中湍流的数值模拟是最重要的问题之一,绝大多数情况下采用求解模型(而非直接求解控制方程)的方法来解决。与其他流动状态的判别一样,在CFD实践中,并不是必须要从客观上知道流动究竟处于层流还是湍流状态,而是如果湍流的存在并不对求解结果产生显著影响,便可以认为是层流的。

Tips:虽然从定义上讲,湍流和层流的区分是基于“粘性流体”的,只有粘性流体我们才讨论层流湍流,对于理想流体不讨论(如果你用过Fluent,会发现湍流模型被放置在“粘性”菜单里)。然而,无粘流动有没有湍流?似乎并没有定论。无粘流动可以失稳,失稳之后会不会真的发展到湍流呢?对粘性流动是肯定的。而对无粘流动,我个人的理解是它由于本身是一种假设,跟实际存在的湍流间是有矛盾的。

牛顿流体与非牛顿流体
前面谈到的剪切应力,如果它的大小正比于法向距离上速度的变化率(剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系):
这个叫做牛顿内摩擦定律,系数μ 称为动力粘性系数(或称动力粘度、粘度),符合这一规律的流体叫做牛顿流体。常见的空气、水等均为牛顿流体。

可压缩与不可压缩
故名思意,可以压缩的流体密度是可以改变的,即ρ 不是常数。大多数情况下气体被认为是可压缩流体,液体为不可压缩流体。

Tips:对于计算流体力学而言,可压缩流体可以通过求解连续性方程和状态方程得到压力和密度,而不可压缩流动则无法直接求解压力。可见,常量比不见得比变量更加简单。

定常 (稳态) 与非定常 (非稳态/瞬态)
流动状态如果不随时间变化,即速度、压力、温度等物理量对时间的导数为0,则为定常流动。客观的世界每时每刻都在变化,所以说,定常流也是一种理想状态。我们要不要把流动问题简化为定常流,取决于流场随时间的变化大不大,以及我们是否关注这一变化。

例如,我们计算一条河的流动状态,这条河可能一天到晚流的样子都差不多,就没必要从早算到晚,而是只需要算个与时间无关的流场,并且认为它一直都是这么流,就可以了。

然而,如果河上游的水库突然开闸放水了,那么肯定有那么一段时间,河流状态发生着显著的变化,而一段时间之后,流态又会趋于稳定。
单相与多相
物理常识中物质的“相态”一般包括固体、气体、液体。常规来讲,气体和液体属于流体范畴,因此“多相流”很容易理解为气、液两相流。实际上,CFD中互不相溶的两种液体,如油和水在一起的流动,也归类为多相流。此外,固体或液体小颗粒,如果处于气体或液体中参与流动,也属于特殊的两相流问题,如细水雾、煤粉。而体积较大的固体与流体的共同作用,如漂浮在水面上的木块儿的运动,则一般不属于CFD的应用范围。

来源:CFD小学微信公众号(ID:gh_6d80bfd4cd47)

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