隨著一個(gè)流體仿真工程師項(xiàng)目的增多，一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題的就是在做CFD的時(shí)候如何選取恰當(dāng)?shù)姆治瞿Ｐ筒⑦M(jìn)行計(jì)算。計(jì)算流體力學(xué)仿真并不是單純的軟件的使用，它是在你熟悉了基本理論的同時(shí)，選擇合適的模型、假設(shè)、網(wǎng)格離散精度、邊界、載荷再進(jìn)行計(jì)算，每一步的選擇實(shí)際上都是作為一個(gè)流體仿真工程師基本功的體現(xiàn)。因?yàn)樵诠ぷ鞯臅r(shí)候，總能遇到比如本可以用層流模型卻用湍流模型；或者對(duì)于一個(gè)顯著的分離流卻錯(cuò)誤地使用k-ε模型；又或是一個(gè)原本在大氣層與真空的邊界的外氣動(dòng)問(wèn)題，卻還在應(yīng)用N-S方程……在當(dāng)下過(guò)于注重商業(yè)軟件操作卻忽略理論基礎(chǔ)的業(yè)界，諸如此類的問(wèn)題比比皆是。

如何結(jié)合物理實(shí)際選用合適的計(jì)算模型便成為一個(gè)非常重要的問(wèn)題。眾所周知，經(jīng)典CFD理論基于N-S方程，大多數(shù)工程問(wèn)題似乎也基于N-S方程去分析。然而N-S方程有一個(gè)重要的前提假設(shè)，那就是N-S方程是基于流體連續(xù)性假設(shè)的，也就是說(shuō)，流體分子的自由程相比所求解問(wèn)題的物理尺度在小于一定程度時(shí)，分子自由運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)更加顯著，此時(shí)連續(xù)性假設(shè)失效。判斷問(wèn)題是否符合連續(xù)性假設(shè)有一個(gè)無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)，叫做克努森數(shù)。當(dāng)然，流體問(wèn)題中還有很多準(zhǔn)則數(shù)。這些準(zhǔn)則數(shù)的范圍就決定了我們對(duì)于一個(gè)流體問(wèn)題的考量。

首先應(yīng)通過(guò)克努森數(shù)判斷問(wèn)題是否可以滿足連續(xù)性假設(shè)，如果滿足，則可以用N-S方程，否則應(yīng)視為稀薄流體力學(xué)問(wèn)題。克努森數(shù)定義如下：

其中&lambda;為分子自由程，L為特征物理長(zhǎng)度。當(dāng)克努森數(shù)Kn<0.01時(shí)稱為連續(xù)流，此時(shí)可看作連續(xù)流體，N-S方程適用。當(dāng)0.01<Kn<0.1時(shí)稱為滑動(dòng)流，主流可使用N-S方程，近壁面層有稀薄流體效應(yīng)。當(dāng)0.1<Kn<10時(shí)稱為過(guò)渡流，此時(shí)稀薄流體效應(yīng)占主導(dǎo)地位。當(dāng)Kn>10時(shí)為自由流，此時(shí)分子碰撞壁面的概率遠(yuǎn)大于相互碰撞。但我們一般無(wú)法確切得知一個(gè)問(wèn)題的分子自由程是多少，通常來(lái)說(shuō)，在航空領(lǐng)域，幾十公里高空的外氣動(dòng)問(wèn)題可能涉及稀薄流體效應(yīng)。某些氣溶膠流體的行為也屬于稀薄流體范疇。此外的大多數(shù)問(wèn)題則屬于連續(xù)流體。

其次是流態(tài)問(wèn)題，可根據(jù)雷諾數(shù)的范圍判斷。相信大多同行都明白，根據(jù)雷諾數(shù)從低到高的不同可依次分為蠕動(dòng)流、層流、湍流等，剪切應(yīng)力的主導(dǎo)地位是從高到低，相反慣性力的作用從低到高。層流到湍流轉(zhuǎn)唳的過(guò)程中會(huì)有一個(gè)臨界雷諾數(shù)的范圍，需要指出的是，不同問(wèn)題的臨界雷諾數(shù)也不同，如管流的臨界雷諾數(shù)在2000~4000之間，而平板流的臨界雷諾可能高達(dá)10000左右。雷諾數(shù)的計(jì)算看似簡(jiǎn)單，但在實(shí)際工作中卻很容易走入誤區(qū)。舉個(gè)例子，一個(gè)空氣軸承，軸直徑30mm，軸的轉(zhuǎn)速為12萬(wàn)r/min軸和環(huán)形箔片之間夾著一層空氣膜，空氣膜厚0.8mm，可能乍一算會(huì)認(rèn)為空氣膜中的流態(tài)為穩(wěn)態(tài)，其實(shí)錯(cuò)誤。因?yàn)槔字Z數(shù)當(dāng)中的主流流速在這里應(yīng)該是空氣與軸表面的相對(duì)速度，而并不是根據(jù)軸徑和轉(zhuǎn)速算出的速度，實(shí)際的空氣膜中的主流流速相對(duì)于軸表面圓周速度并不是很大，而且由于空氣膜很薄，且空氣膜上下兩側(cè)都收到強(qiáng)烈的粘性效應(yīng)，其實(shí)是無(wú)法形成湍流中所具有的無(wú)序混沌的流態(tài)的。

流動(dòng)的壓縮性用馬赫數(shù)來(lái)判斷，馬赫數(shù)是流速與當(dāng)?shù)匾羲俚谋戎?/span>：

當(dāng)馬赫數(shù)Ma=0時(shí)，是真正的不可壓縮流動(dòng)，密度始終為常數(shù)。當(dāng)0<Ma<0.3時(shí)，為弱可壓縮流，流體的密度實(shí)際上是隨溫度的不同也有所不同的，但是實(shí)際在大多數(shù)商業(yè)軟件中，我們把此情況仍視作不可壓縮流動(dòng)，因?yàn)榇藭r(shí)流體的密度變化非常小，密度變化通常由于溫度引起。當(dāng)0.3<Ma<1時(shí)，為中等可壓縮流動(dòng)，此時(shí)為梯度較大的亞音速流，在計(jì)算時(shí)就要考慮能量方程了。當(dāng)Ma>1時(shí),流動(dòng)是超音速的，高度可壓縮的，這種情況發(fā)生于噴口、高超音速飛行器的分析等情況，并往往伴隨著激波現(xiàn)象，當(dāng)然這種情況下也要考慮能量方程。需要注意的是，可壓縮流體也可能在做不可壓縮流動(dòng)，最常見(jiàn)的例子就是空氣；且可壓縮流動(dòng)并不總是等于可壓縮流體。換言之，流體的可壓縮性和流動(dòng)的可壓縮性是有區(qū)別的。

當(dāng)然根據(jù)具體情況可能還要看很多無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)，但總得來(lái)看，流動(dòng)可進(jìn)行如下分類：

如果按可壓縮性分，可分為不可壓縮流，弱可壓縮流，中等可壓縮流和高度可壓縮流。

通過(guò)一些準(zhǔn)則數(shù)可以初步幫助我們判斷出面對(duì)的問(wèn)題應(yīng)該使用哪種計(jì)算模型，從而在大方向上不至于出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差。