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CFD理论_边界层

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CFD理论_

--关于边界层--

-网络整理-

   
         
     
     
     
     
     
     
     
     

01

     

关于雷诺数

     
     
       
       
       
     
     

雷诺数示意

雷诺数,Re,一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。雷诺数物理上表示惯性力和粘性力量级的比。        
     

其中:      
ρ--密度(kg/m3)      
u--流体流速(m/s)      
L--特征长度(m)      
μ--动力粘度(kg/m·s)      

典型雷诺数

普通航空飞机:5000000      
小型无人机:400000      
滑翔蝴蝶:7000      
大脑中的血液流:100      
精 子:0.0001      
       
       
       
       
       
       

02

     

什么是边界层?

     
     
       
       
       
     
     

无攻角平行流沿平板的边界层示意

高雷诺数下,在紧贴物体表面处,存在一个粘性力不可忽略的流动薄层,这就是所谓的边界层,又称流动边界层、附面层等。

边界层是普朗特在研究高雷诺数流动问题(航空航天问题)时提出来的。因此,边界层概念主要是针对高雷诺数运动的概念

     

低粘性流体在高雷诺数下与物体接触并有相对运动时,近物面处的流动特征

  • 靠近物面的薄流体层因受粘性剪应力而使速度减小;
  • 紧贴物面的流体粘附在物面上,与物面的相对速度等于零;
  • 垂直物面向上,流体速度逐渐增大,经过很短的一段距离后便与主流同速。

03

     

边界层厚度δ、y+

     
     
       
       
       
     
     

边界层示意图

从物面(速度为0)开始,沿物面法线方向,到速度接近主流速度U的位置,这之间的距离,就是边界层的厚度记为δ      
边界层又分为内层外层内层有着自己独特的流场特性,基本不受外层与边界层外部流动的影响。      
针对内层,单独定义了一个特征速度      


特征壁面距离      

利用特征壁面距离y+对边界层内层再分层:      


内层从物面开始沿物面法向方向依次是:

粘性底层    0<y+<5~8

【特点】壁面附近速度为0,随着距离的增大,流场沿流向的速度呈线性增大。基本没有湍流应力,粘性应力起主导作用;        
     
过渡层    5~8<y+<30~50      
【特点】粘性应力逐渐消失,湍流应力增大,流动逐渐发展至完全湍流,是一个过渡区;
     
对数层    y+>30~50且y<0.2δ      

【特点】顾名思义,随着距离的增大,流场沿流向的速度呈对数型增大。其内流体受到的湍流附加切应力大于粘性切应力,因而流动处于完全湍流状态。

     
外层可分为尾迹律层和粘性顶层:
     
尾迹律层    0.2δ<y<0.4δ      
【特点】层内流动受到的湍流附加切应力远远大于粘性切应力,流动处于完全湍流状态,但与对数律相比,湍流强度已明显减弱;
     
粘性顶层    0.4δ<y<δ      
【特点】由于湍流的随机性和不稳定性,外部非湍流流体不断进入边界层内发生掺混,使湍流强度限制减弱,同时边界层内对的湍流流体也不断进入邻近的非湍流区。      
       
       
       
       
       
       

04

     

边界层分离

     
     
       
       
       
     
     

曲面边界层分离示意

在实际工程中,物体边界往往是曲面的,流体流过曲面时,它的速度和压力都有变化。当流速减少时,压力必定增加。由于在边界层内的流体微团有动量损失,如遇到下游压力增加(即有逆压梯度)时,则动量再减少,直到流体微团不能再在物面上前进时就会从物面分离这一现象叫做边界层分离      
气流开始离开物面的点称为分离点      


DE流动加速,为顺压梯度区流体压能向动能转化      
EF流动减速,为逆压梯度区动能损耗速度急剧降低      
S点出现粘滞,由于压力的升高回流致使边界层分离,并形成尾涡      
       
       
       
       
       
       

05

     

边界层控制

     
     


   边界层分离后形成的尾迹区域,实际上是一个负压区,会产生较大阻力。在航空飞行器等应用上,层流边界层的过渡和分离,会出现机翼阻力增加、举力减少甚至失速等现象,因此控制边界层脱离十分重要。        
     
控制边界层脱离的方法很多,但无外乎两大类。      
一类是改变物体的形状,控制物面上的压强梯度,从而尽量缩小脱离区,例如采用细长的流线形物面;      
       
       
       
     

另一类是考虑流动的内部因素增加边界层内流体微团的动量加强抗逆压力梯度的能力,如:在壁面吹吸流体,延缓分离,减少分离区,达到减少压差阻力的效果。


       
       
       
       
       
       

06

     

边界层网格处理

     
     
       
       
       
     
     

边界层网格示意

以旋转风扇为例,介绍边界层网格处理_      
针对风扇可依据需要设置边界层,首层网格厚度y1可以依据y+计算,y+取值在30~150之间,增长率不大于1.2,层数宜大于5层;      




其中:      
ρ--空气密度(kg/m3      
u--风扇叶尖速度(m/s)      
L--特征尺寸(m)      
μ--空气动力粘度(kg/m·s)      
Re--雷诺数,无量纲      
Cf--壁面摩擦系数,无量纲      
τω--壁面剪切应力,无量纲      
uτ--特征速度(m/s)      
y+--特征壁面距离,无量纲,取值单位宜30~150      
ν--空气运动粘度(m2/s)      
y1--首层网格高度(m)      
       
       
       
       
       
       
   

07

     

讨论

     
     
       
       
       
以上部分图片等素材来源网络,目的仅为介绍边界层相关理论。        

   内容为个人整理,可能会存在某些理解不足等问题,勿怪!!!
   欢迎交流!!!
   上述首层网格高度计算公式中可能存在量纲不统一的问题,仅供参考,或可利用以下网址自动计算。

   推荐网站--y+计算工具

1、https://www.cfd-online.com/Tools/yplus.php2、https://www.cadence.com/en_US/home/tools/system-analysis/computational-fluid-dynamics/y-plus.html

       
       
       
       
       
       
     
     
     

END

     
     
     
来源:霍同学CAE
湍流网格处理航空航天理论控制无人机曲面
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-09-01
最近编辑:9月前
霍同学
硕士 | 结构工程师 -仿真的魅力-
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