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流体力学概念的分类梳理

9月前浏览1616

1 概述

流体力学历史悠久,分支众多,各种概念名词不计其数且相互之间关系错综复杂。本文从CFD仿真过程的视角,对各类名词概念的体系做了梳理,可作为学习整理的参考框架。

无论使用什么软件,CFD分析过程都可分为以下几个步骤:

  1. 问题定义

  2. 物理建模

  3. 数值运算

  4. 结果分析


根据各步骤的关注重点,各类概念整体上可分为物理过程、物理建模、数值计算三类。


2 物理过程

2.1 流动现象

流动是真实存在的物理现象,和任何数学计算均无关。流动相关概念的提出可基于生活经验、实验测试等多种来源,如激波、海浪、沸腾等都是流动现象。流动现象及其影响可通过某些指标定量化评估,如压力损失、升阻比等。

流动现象既是CFD中需要分析的问题,例如需要分析飞机超声速飞行时的激波位置;也是CFD结果的分析结论,例如仿真结果为飞机翼尖位置存在较严重的流动分离。

同一流动现象在不同行业可能称呼不同,例如水泵的流量-扬程曲线和风扇的P-Q曲线本质上都是描述了外部流动速度和设备压力差的关系。


2.2 无量纲数

无量纲数定量描述了不同物理机理对流动现象的贡献比例。同一类流动现象,可能会根据某个无量纲数的值做区分。例如雷诺数描述了惯性力和粘性力的比例,大雷诺数流动称为湍流,小雷诺数流动称为层流。


3 物理建模

物理建模是定义方程的过程,包括两个问题:

  1. 需要计算哪些方程?

  2. 这些方程的定解条件是什么?


严格来说,物理建模和数学处理无关,更不依赖于特定CFD软件,仅仅将流动过程转换为可求解的方程组。由于实际问题的复杂性,通常物理建模过程在CFD软件的前处理模块中进行。


3.1 物理模型

物理模型基于方程描述了某一类流动现象的规律。CFD中常见的物理模型包括湍流模型、传热模型、多相流模型、气动声学模型等。

不同物理机理在方程中即为方程中的各项,如对流项、扩散项、源项等。

同一类物理模型,根据建模方式、前提假设等差异可细分为多个子模型,如湍流模型包括 k-omega、k-epsilon、Spalart-Allmaras 等多种模型,每个模型都有各自优劣和适用范围。

物理方程的某些特定项也可建模,如多孔介质模型作为N-S方程的源项,描述了多孔介质中压力损失和流动速度的关系。


3.2 材料属性

方程中各项系数涉及流体介质的材料属性,如N-S方程中需要流体的密度和粘度。

材料属性既可以是常数,也可为受其他物理量影响的变量,如非牛顿流体模型描述了流体粘度随应变率的变化规律。


3.3 定解条件

数学上,定解条件包括时间上的初始条件和空间上的边界条件。工程中可简单理解为需要分析的工况。

初始条件为初始时刻流场分布状态。对于涉及时间相关的问题,不同初始条件的计算结果会完全不同。例如设备加热需要多久达到设定的工作温度,设置不同的初始温度显然需要不同的加热时间。

边界条件为空间边界上的流动状态,可大致分为实际条件、经验条件、假设条件三类。

实际条件指描述真实物理状况的边界条件,例如管路入口速度 1 m/s。

经验条件指可根据经验或教科书等权威来源直接设定,无需额外说明的边界条件。典型如壁面无滑移边界条件,即流体和固体在固体表面相对静止,是流体力学的默认边界条件之一。

假设条件指由于严格按照实际情况进行定义存在极大难度,从而合理假设的边界条件。例如传热仿真中对于有隔热涂层的表面假设为绝热边界,忽略隔热涂层的热量传递。


4 数值运算

数值运算是解方程的过程。数学形式相同的方程即可应用相同的计算方法求解,从求解角度而言,方程的物理意义并不重要。


4.1 数学算法

数学算法是指求解方程的方法。

CFD中最主流算法为有限体积法(FVM),包括 Fluent、Star-CCM、OpenFOAM 等主流CFD软件均采用有限体积法。其他有工程成功应用的CFD算法包括有限元法(FEM)、格子玻尔兹曼法(LBM)、光滑粒子水动力学法(SPH)等。

有限体积法和有限元法采用迭代方法进行求解。


4.2 变量离散

离散化计算域是数值计算的必备步骤。

根据算法对空间离散方式的要求,离散方式包括基于网格离散和无网格离散两类。有限体积法、有限元法、格子玻尔兹曼法均为基于网格的算法;光滑粒子水动力学法是常用的无网格算法。

时间离散为采用时间步长进行控制。


4.3 数值设置

离散格式是指某些特定项的数值离散计算方法。

例如 Fluent 可针对不同项设置不同的离散格式,从而在计算精度、数值稳定性、收敛速度等要求中取得平衡。根据特定需要,也可额外设置亚松弛因子优化迭代收敛过程。


5 总结

物理过程、物理建模、数值计算三类概念各自解决以下问题:

  • 物理过程:需要分析什么问题?

  • 物理建模:如何列写方程组描述问题的物理规律?

  • 数值计算:如何计算这些方程组?


来源:驭风之道
FluentOpenFOAM多相流多孔介质湍流声学材料控制
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首次发布时间:2025-12-20
最近编辑:9月前
驭风之道
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