關鍵要點

• 緊靠地表，有一個低速區。邊界層厚度計算為從該表面到速度為 99% 自由流的點的距離。 

• 邊界層厚度計算的復雜性因結構幾何形狀和流動性質而異。 

• 使用 CFD 求解器分析邊界層厚度有助于系統優化以提高效率。 

從玻璃杯中倒水時，您可能會注意到靠近表面的水層移動速度比其余體積液體慢。這是因為速度受流體和玻璃表面之間的摩擦力的影響。靠近表面，形成邊界層。這種行為在各種流動中都可以觀察到——例如，當風吹過飛機機翼或當水與水翼船接觸時。問題在于該邊界層的厚度以及它如何影響流動和流體系統設計。 

CFD 模擬使邊界層分析更容易，即您可以可視化流速和壓力分布，計算 CFD 中的邊界層厚度，并優化流體系統以獲得最大效率。 

邊界層厚度 

邊界層是指在流動過程中靠近接觸表面存在的薄層流體。邊界層的形成可以歸因于表面和流體之間存在摩擦。摩擦減慢了正常的流體流動速度，并形成了一個低速區——邊界層。因此，邊界層也可以通過速度的逐漸過渡來表征。 

隨著流體遠離表面移動，速度的增加變得明顯——從表面的零速度到自由流速度。從流體粒子速度為零的表面到速度達到 99% 自由流的點的距離稱為邊界層厚度。通常，邊界層厚度增加如下：

• ?流體粒子速度降低

• ?表面粗糙度增加

• ?流體粘度增加

邊界層厚度的公式在很大程度上取決于流動是層流還是湍流。讓我們考慮在平板上流動的流體。在層流邊界層中，流動平穩且摩擦較小。在這種情況下，可以使用 Blasius 解決方案計算邊界層厚度：

δ 是邊界層厚度

x是平板的長度

Re 是雷諾數 

湍流可能與表面粗糙度過高、流動隨機性和強度增加有關。因此，CFD 中邊界層厚度的計算可以簡單地作為一個估計值。這是使用以下公式完成的：

在 CFD 中，邊界層厚度計算在許多空氣動力學和流體動力學應用中起著至關重要的作用。它們可用于分析：

• 機翼經歷的阻力和升力

• 從表面到流體的傳熱速率

• 流動穩定性和過渡

• 流體系統性能和效率

使用 CFD 分析求解邊界層厚度

CFD 是進行詳細流場分析（即邊界層厚度、速度剖面、壓力分布等）的關鍵分析工具。這些參數對流體系統的設計和性能具有重要意義。CFD 使用Navier-Stokes 方程進行流體流動和邊界層分析的數值模擬。可能涉及以下步驟：

1. 在計算域中，選擇合適的層流/湍流模型。檢查湍流建模中的 y+ 要求。  

2. 生成精細網格或網格并定義 3D 模型的幾何形狀以進行邊界層分析。將 Navier-Stokes 方程分配并求解到每個網格，以準確捕獲邊界層厚度。 

3. 指定流體流動的初始條件和邊界條件。這包括定義速度、溫度、表面粗糙度、傳熱系數以及壁、入口或出口處的其他物理特性。 

4. 求解邊界層厚度。通常，這是達到 99% 自由流速度的點。用其他實驗或分析結果驗證邊界條件。 

通過使用 CFD 對邊界層厚度進行適當的模擬和精確分析，可以深入了解流體行為和邊界層效應。 

通過邊界層厚度分析提高流體系統性能

正確的 CFD 工具可以準確模擬和分析邊界層厚度，以幫助設計人員了解流體流動行為并優化系統以獲得最大效率。系統設計人員可以利用 Cadence 的 CFD 工具來計算定義流動剖面和邊界層效應的控制方程。通過參考高保真模擬和邊界層厚度計算的結果，CFD 求解器支持設計變更，以最大限度地減少阻力并提高飛機、風力渦輪機和船舶等流體工程結構的性能。