一期一会 | 什么是流体流动？

流体在流动过程中的行为受其粘度的影响；粘度是内部流动阻力的衡量标准之一。根据粘度特性，流体可分为牛顿流体或非牛顿流体。

了解流体流动，在许多工程领域中都至关重要，包括航空航天、土木、机械和生物医学工程等。此外还在海洋学、气象学和生物学等科学学科中发挥着重要作用。为了解决复杂的流体流动问题，工程师通常采用计算流体力学（CFD）等先进技术，该技术将强大的计算机硬件与复杂的数值方法相结合。

流体流动的物理原理

流体力学，是根据流动测量得出的经验定律来研究液体和气体运动的学科。流体流动问题通常涉及确定以下属性：

流体速度—描述流体运动的速度和方向的矢量（单位：米/秒）

流体压力—描述流体对其周围环境或与之相互作用的表面施加的单位面积力的矢量（单位：帕斯卡，或磅/平方英寸）

流体温度—表示流体中分子的平均动能，反映流体的冷热程度（单位：摄氏度、开尔文或华氏度）

流体粘度—衡量流体的流动和变形的阻力，量化流体微团之间在相对运动时的内部摩擦力（单位：帕斯卡秒）

流体力学有许多分支学科，其中包括空气动力学（涉及研究运动中的空气和气体，例如计算飞机机翼上的力）和流体动力学（涉及研究运动中的液体，例如确定石油通过管道的质量流率）。

流体流动中的雷诺数

工程师经常使用无量纲数来有效减少变量数量，并从物理现象中提取有意义的相关性。雷诺数就是这样一个数，它将流体流动中的惯性力与粘性力相关联。

在层流中，粘性力比惯性力要大。随着雷诺数的增大，惯性力变得越来越大，直到流动最终变为湍流。发生这种情况时的雷诺数，被称为临界雷诺数。

临界雷诺数没有一个固定值，而是取决于边界表面的光滑度和流动的几何结构等因素。例如，对于以光滑表面为边界的内部流动，临界雷诺数约为2,300，而对于外部流动而言，该值可能要高得多。

流体流动的类型

流体流动具有多种属性，反映了流体的固有属性或其在空间和时间上的变化。此外，湍流带来了额外的挑战。迄今为止，研究人员尚未为这些问题提供出色的解决方案。

层流是指流动中不同流体层（薄层）之间没有混合的流动。当粘性力大于惯性力时，就会出现层流。不过，大多数工程上遇到的流动很容易转变为湍流。

在湍流中，流体层混合，从而产生形成旋流（回流和涡团）的应力。当惯性力大于粘性力时，就会出现湍流。

值得注意的是，还存在第三种流动类型，即转捩，它既不是完全湍流，也不是层流。

工程师通过雷诺分解对湍流进行研究，将流动分为平均分量和扰动分量。雷诺数被定义为流体中的惯性力与粘性力之比。雷诺数是一个无量纲量，有助于确定给定配置下的流动是层流还是湍流。其计算公式为：

 

其中，ρ是流体密度，V是流速，L是特征长度（例如管道直径）。

例如，考虑具有以下特征的管道：

• 如果Re小于2,000，粘性力占主导地位，流态为层流。

• 如果Re大于4,000，惯性力占主导地位，流态为湍流。

• 如果Re介于2,000到4,000之间，则为过渡流。

层流和湍流之间的主要区别如下：

稳态流与非稳态流

稳态流是指速度、压力和密度等属性在空间中的任何位置都不随时间而变化的流动。反之，如果这些属性中的任何一个随时间而发生变化，则为非稳态流。

湍流本质上是非稳态流。不过，湍流也可以是统计稳定的，这意味着速度等时间平均流动条件随着时间推移保持不变。

非稳态流在自然界中很常见。然而，非稳态流模型的求解更具挑战性，因为引入时间维度需要更多的计算能力。

均匀流与非均匀流

均匀流，是指流体在流动中速度的方向和大小保持不变的流体流动。

可压缩流与不可压缩流

可压缩性是指将流体中的分子拉近距离的能力。

气体很容易被压缩，因为它们的分子相隔很远。通过施加或减轻压力，可以轻松改变其体积和密度。另一方面，液体很难被压缩，因为它们的分子彼此距离更近。

对于大多数实际应用而言，液体可以被视为不可压缩（但在某些非稳态流问题中、声音‍传播显著的情况下除外）。

在流速变化相对于该流体中声速较小的流场中，流体流动可被视为不可压缩（即使气体也是如此）。这一点非常重要，因为可压缩性效应会显著增加控制方程的复杂性。

马赫数是一个有用的无量纲数，有助于确定流体流动中可压缩性效应的重要性。当马赫数小于或等于0.3时，流动可被视为不可压缩。对于更高的流速（高亚音速和超音速），可压缩性效应变得显著，尤其是涉及冲击波的情况下，例如在喷气式发动机、高速飞机和火箭中。

粘性流与非粘性流

粘度是衡量流体中摩擦力的一个指标。当流体内部的各层相互摩擦时，就会产生摩擦力。粘度高（例如蜂蜜）表示摩擦力较大，反之亦然。对于液体而言，粘度会随着温度的升高而降低。这是因为分子在温度较高的液体中移动更自由，并且更容易相互滑动。然而，对于气体而言，粘度会随温度升高而增加。

单维流与多维流

流动维度是指显著影响流动特性的空间维度数量，请注意，时间通常也被称为一个维度。

在一维流动中，速度、压力和密度等物理量仅在一个维度上显著变化。一维流动模型适用于另外两个维度变化可以忽略不计的流动条件（例如，在直径恒定的管道中，仅沿管道长度发生变化）。

在二维流动模型中，第三维度的变化要么是均匀的，要么可以忽略不计。这种情况出现在高纵横比流动中，其中一个维度比另一个维度大得多。例如，在沿平板的边界层开发中，与沿长度和高度的变化相比，沿平板宽度的流动属性变化可以忽略不计。此外，许多天气系统模型都是二维模型，因为地球的大气层相对于地球表面非常薄。

三维流动模型在工程应用中最为普遍，可捕获这些流体在三个维度的全部复杂性。在这些情况下，复杂的几何结构会产生复杂的流体运动，这些运动也会受到压力、速度或密度等物理量的三维变化的影响。

虽然简化的一维和二维模型可减少分析工作量，但它们并不总是有效的选择。模型的选择，还需取决于所考虑的具体问题。工程师通常在初始设计阶段使用简化模型，而在最终验证阶段选择高级3D建模。

内部流与外部流

外部流和内部流动之间的主要区别源于这些流动周围边界的性质。

外部流发生在至少有一侧是无边界的情况下，从而产生边界层和尾流效应。另一方面，内部流发生在封闭（固体）边界内，其中压降和流动分布通常是关注的重点。

外部流的示例包括流经飞机机身的空气（其中通常需要关注升力和阻力等空气动力）、流经船体的水或吹过建筑物的风。物体的形状和方向会影响外部流动的行为，形成边界层（物体-流动界面的粘性区域）和流动分离。

内部流的示例，包括流经管道或风道的空气或水。它们受到边界壁的约束，损失在壁面的动量会导致沿流动方向的压力下降。

多相流

多相流是指同时出现两个或多个不同热力学相态的流动。这些相可能是气体、液体或固体，并且具有相同或不同的成分，例如水/水蒸汽流动，油/水流动或液-固悬浮液。

多相流通常分为两相流和三相流，尽管更复杂的系统可能包含更多相。

常见的两相流包括：

• 蒸发器和冷凝器中的气-液流
• 生物反应器中的气-固流

• 泥浆运输和沉积系统中的液-固流

三相流包括气-液-固体流（例如化学反应器和流化床中）和气-液-液流（存在于石油回收系统中）。

由于不同相之间的相互作用，多相流建模非常复杂。其是各种工程问题的核心，包括化学加工和制药（例如混合、过滤和分离），发电（蒸汽轮机和燃烧建模）以及石油和天然气（减少燃烧和排气）。工程师使用欧拉-拉格朗日、欧拉-欧拉或流体体积（VOF）等方法来解决这些问题。

流体流动的数值仿真

在中等雷诺数下，可以根据纳维-斯托克斯方程（不包括湍流建模）对湍流进行直接数值仿真（DNS）。然而，由于直接数值仿真所需的计算资源过多，而大多数工程流动的雷诺数过高，所以难以进行直接数值仿真。例如，任何体积足以运载人类的飞行器都超出了DNS的能力（Re = 400万）。

因此，工程师将雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程与湍流建模相结合，为湍流提供有效的表征。RANS模型通过雷诺应力计算湍流引起的额外动量和热量传递。RANS模型在工程应用中得到了广泛采用，因为其计算密度低于DNS，同时为多种类型的湍流提供了合理的准确性。

大涡流仿真（LES）及其变体是介于DNS和RANS之间的其他建模方法。LES可直接求解较大的湍流尺度，并对较小尺度进行建模，使其比RANS更准确。当试图对瞬态非常重要的流动进行建模时，例如汽车的外部空气动力学和燃气轮机发动机内的燃烧，LES至关重要。

高级流体流动仿真

了解流体流动的能力是开发有效计算模型的第一步。层流求解相对简单，工程师可以使用确定性数学模型。然而，这些模型的适用范围有限。

大多数实际问题都涉及湍流，由于其不稳定和不确定的特性，湍流最难建模。对湍流进行准确建模仍然是工程师正在积极解决的一项挑战。

不过，现在他们可以利用Ansys Fluent来应对挑战。Ansys Fluent软件是业界领先的流体仿真工具，以其先进的物理建模功能和高精度著称。

Fluent软件是工程师的强大工具，可为复杂的流体仿真问题提供高效准确的解决方案。该工具提供了广泛的物理模型和技术，包括：

• 广泛的湍流模型
• 降阶建模
• 广泛的多相流模型
• 多种燃烧模型
• 流固耦合
• 用于网格划分和求解的高度可扩展并行功能