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流體流動，是指液體或氣體在外力或壓差作用下的連續變形和運動。流體的流動反映了流體改變形狀或適應其容器的能力，其與保持固定形狀的固體不同。

流體在流動過程中的行為受其粘度的影響；粘度是內部流動阻力的衡量標準之一。根據粘度特性，流體可分為牛頓流體或非牛頓流體。

了解流體流動，在許多工程領域中都至關重要，包括航空航天、土木、機械和生物醫學工程等。此外還在海洋學、氣象學和生物學等科學學科中發揮著重要作用。為了解決復雜的流體流動問題，工程師通常采用計算流體力學（CFD）等先進技術，該技術將強大的計算機硬件與復雜的數值方法相結合。

流體流動的物理原理

流體力學，是根據流動測量得出的經驗定律來研究液體和氣體運動的學科。流體流動問題通常涉及確定以下屬性：

流體速度—描述流體運動的速度和方向的矢量（單位：米/秒）

流體壓力—描述流體對其周圍環境或與之相互作用的表面施加的單位面積力的矢量（單位：帕斯卡，或磅/平方英寸）

流體溫度—表示流體中分子的平均動能，反映流體的冷熱程度（單位：攝氏度、開爾文或華氏度）

流體粘度—衡量流體的流動和變形的阻力，量化流體微團之間在相對運動時的內部摩擦力（單位：帕斯卡秒）

流體力學有許多分支學科，其中包括空氣動力學（涉及研究運動中的空氣和氣體，例如計算飛機機翼上的力）和流體動力學（涉及研究運動中的液體，例如確定石油通過管道的質量流率）。

流體流動中的雷諾數

工程師經常使用無量綱數來有效減少變量數量，并從物理現象中提取有意義的相關性。雷諾數就是這樣一個數，它將流體流動中的慣性力與粘性力相關聯。

在層流中，粘性力比慣性力要大。隨著雷諾數的增大，慣性力變得越來越大，直到流動最終變為湍流。發生這種情況時的雷諾數，被稱為臨界雷諾數。

臨界雷諾數沒有一個固定值，而是取決于邊界表面的光滑度和流動的幾何結構等因素。例如，對于以光滑表面為邊界的內部流動，臨界雷諾數約為2,300，而對于外部流動而言，該值可能要高得多。

流體流動的類型

流體流動具有多種屬性，反映了流體的固有屬性或其在空間和時間上的變化。此外，湍流帶來了額外的挑戰。迄今為止，研究人員尚未為這些問題提供出色的解決方案。

層流是指流動中不同流體層（薄層）之間沒有混合的流動。當粘性力大于慣性力時，就會出現層流。不過，大多數工程上遇到的流動很容易轉變為湍流。

在湍流中，流體層混合，從而產生形成旋流（回流和渦團）的應力。當慣性力大于粘性力時，就會出現湍流。

值得注意的是，還存在第三種流動類型，即轉捩，它既不是完全湍流，也不是層流。

工程師通過雷諾分解對湍流進行研究，將流動分為平均分量和擾動分量。雷諾數被定義為流體中的慣性力與粘性力之比。雷諾數是一個無量綱量，有助于確定給定配置下的流動是層流還是湍流。其計算公式為：

其中，ρ是流體密度，V是流速，L是特征長度（例如管道直徑）。

例如，考慮具有以下特征的管道：

• 如果Re小于2,000，粘性力占主導地位，流態為層流。
• 如果Re大于4,000，慣性力占主導地位，流態為湍流。
• 如果Re介于2,000到4,000之間，則為過渡流。

層流和湍流之間的主要區別如下：

對比方面	層流	湍流
流體運動	流體運動平行流動，流體層之間很少混合。	流體運動是不穩定且不可預測的，流體層之間的混合會導致再循環和渦流。
速度分布	流動路徑上的速度是恒定的，變化不大。	流動路徑上的速度變化不穩定，具有高速和低速區域。
能量耗散	由于湍流和摩擦最小，能量耗散較低。	由于湍流和摩擦較大，能量耗散較高。
發生	低雷諾數時發生層流。	高雷諾數時會發生湍流。

穩態流與非穩態流

穩態流是指速度、壓力和密度等屬性在空間中的任何位置都不隨時間而變化的流動。反之，如果這些屬性中的任何一個隨時間而發生變化，則為非穩態流。

湍流本質上是非穩態流。不過，湍流也可以是統計穩定的，這意味著速度等時間平均流動條件隨著時間推移保持不變。

非穩態流在自然界中很常見。然而，非穩態流模型的求解更具挑戰性，因為引入時間維度需要更多的計算能力。

均勻流與非均勻流

均勻流，是指流體在流動中速度的方向和大小保持不變的流體流動。

可壓縮流與不可壓縮流

可壓縮性是指將流體中的分子拉近距離的能力。

氣體很容易被壓縮，因為它們的分子相隔很遠。通過施加或減輕壓力，可以輕松改變其體積和密度。另一方面，液體很難被壓縮，因為它們的分子彼此距離更近。

對于大多數實際應用而言，液體可以被視為不可壓縮（但在某些非穩態流問題中、聲音?傳播顯著的情況下除外）。

在流速變化相對于該流體中聲速較小的流場中，流體流動可被視為不可壓縮（即使氣體也是如此）。這一點非常重要，因為可壓縮性效應會顯著增加控制方程的復雜性。

馬赫數是一個有用的無量綱數，有助于確定流體流動中可壓縮性效應的重要性。當馬赫數小于或等于0.3時，流動可被視為不可壓縮。對于更高的流速（高亞音速和超音速），可壓縮性效應變得顯著，尤其是涉及沖擊波的情況下，例如在噴氣式發動機、高速飛機和火箭中。

粘性流與非粘性流

粘度是衡量流體中摩擦力的一個指標。當流體內部的各層相互摩擦時，就會產生摩擦力。粘度高（例如蜂蜜）表示摩擦力較大，反之亦然。對于液體而言，粘度會隨著溫度的升高而降低。這是因為分子在溫度較高的液體中移動更自由，并且更容易相互滑動。然而，對于氣體而言，粘度會隨溫度升高而增加。

單維流與多維流

流動維度是指顯著影響流動特性的空間維度數量，請注意，時間通常也被稱為一個維度。

在一維流動中，速度、壓力和密度等物理量僅在一個維度上顯著變化。一維流動模型適用于另外兩個維度變化可以忽略不計的流動條件（例如，在直徑恒定的管道中，僅沿管道長度發生變化）。

在二維流動模型中，第三維度的變化要么是均勻的，要么可以忽略不計。這種情況出現在高縱橫比流動中，其中一個維度比另一個維度大得多。例如，在沿平板的邊界層開發中，與沿長度和高度的變化相比，沿平板寬度的流動屬性變化可以忽略不計。此外，許多天氣系統模型都是二維模型，因為地球的大氣層相對于地球表面非常薄。

三維流動模型在工程應用中最為普遍，可捕獲這些流體在三個維度的全部復雜性。在這些情況下，復雜的幾何結構會產生復雜的流體運動，這些運動也會受到壓力、速度或密度等物理量的三維變化的影響。

雖然簡化的一維和二維模型可減少分析工作量，但它們并不總是有效的選擇。模型的選擇，還需取決于所考慮的具體問題。工程師通常在初始設計階段使用簡化模型，而在最終驗證階段選擇高級3D建模。

內部流與外部流

外部流和內部流動之間的主要區別源于這些流動周圍邊界的性質。

外部流發生在至少有一側是無邊界的情況下，從而產生邊界層和尾流效應。另一方面，內部流發生在封閉（固體）邊界內，其中壓降和流動分布通常是關注的重點。

外部流的示例包括流經飛機機身的空氣（其中通常需要關注升力和阻力等空氣動力）、流經船體的水或吹過建筑物的風。物體的形狀和方向會影響外部流動的行為，形成邊界層（物體-流動界面的粘性區域）和流動分離。

內部流的示例，包括流經管道或風道的空氣或水。它們受到邊界壁的約束，損失在壁面的動量會導致沿流動方向的壓力下降。

多相流

多相流是指同時出現兩個或多個不同熱力學相態的流動。這些相可能是氣體、液體或固體，并且具有相同或不同的成分，例如水/水蒸汽流動，油/水流動或液-固懸浮液。

多相流通常分為兩相流和三相流，盡管更復雜的系統可能包含更多相。

常見的兩相流包括：

• 蒸發器和冷凝器中的氣-液流
• 生物反應器中的氣-固流
• 泥漿運輸和沉積系統中的液-固流

三相流包括氣-液-固體流（例如化學反應器和流化床中）和氣-液-液流（存在于石油回收系統中）。

由于不同相之間的相互作用，多相流建模非常復雜。其是各種工程問題的核心，包括化學加工和制藥（例如混合、過濾和分離），發電（蒸汽輪機和燃燒建模）以及石油和天然氣（減少燃燒和排氣）。工程師使用歐拉-拉格朗日、歐拉-歐拉或流體體積（VOF）等方法來解決這些問題。

流體流動的數值仿真

在中等雷諾數下，可以根據納維-斯托克斯方程（不包括湍流建模）對湍流進行直接數值仿真（DNS）。然而，由于直接數值仿真所需的計算資源過多，而大多數工程流動的雷諾數過高，所以難以進行直接數值仿真。例如，任何體積足以運載人類的飛行器都超出了DNS的能力（Re = 400萬）。

因此，工程師將雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）方程與湍流建模相結合，為湍流提供有效的表征。RANS模型通過雷諾應力計算湍流引起的額外動量和熱量傳遞。RANS模型在工程應用中得到了廣泛采用，因為其計算密度低于DNS，同時為多種類型的湍流提供了合理的準確性。

大渦流仿真（LES）及其變體是介于DNS和RANS之間的其他建模方法。LES可直接求解較大的湍流尺度，并對較小尺度進行建模，使其比RANS更準確。當試圖對瞬態非常重要的流動進行建模時，例如汽車的外部空氣動力學和燃氣輪機發動機內的燃燒，LES至關重要。

高級流體流動仿真

了解流體流動的能力是開發有效計算模型的第一步。層流求解相對簡單，工程師可以使用確定性數學模型。然而，這些模型的適用范圍有限。

大多數實際問題都涉及湍流，由于其不穩定和不確定的特性，湍流最難建模。對湍流進行準確建模仍然是工程師正在積極解決的一項挑戰。

不過，現在他們可以利用Ansys Fluent來應對挑戰。Ansys Fluent軟件是業界領先的流體仿真工具，以其先進的物理建模功能和高精度著稱。

Fluent軟件是工程師的強大工具，可為復雜的流體仿真問題提供高效準確的解決方案。該工具提供了廣泛的物理模型和技術，包括：

• 廣泛的湍流模型
• 降階建模
• 廣泛的多相流模型
• 多種燃燒模型
• 流固耦合
• 用于網格劃分和求解的高度可擴展并行功能

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