寫在前面

仿真、模擬、有限元分析、多物理場(chǎng)……這些術(shù)語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術(shù)原理和演進(jìn)趨勢(shì)，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以“一期一會(huì)”的形式，攜手各領(lǐng)域?qū)＜遥瑖@Ansys全產(chǎn)品線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，帶您深入解析流體、結(jié)構(gòu)、電子設(shè)計(jì)及電磁仿真、光學(xué)、光子學(xué)、半導(dǎo)體、自動(dòng)駕駛、汽車、聲學(xué)、航空航天、材料等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，讓復(fù)雜的專業(yè)知識(shí)觸手可及。

層流，又稱為流線型流動(dòng)，是一種流動(dòng)狀態(tài)，其中流體中的粒子沿著光滑、相互平行的層運(yùn)動(dòng)。在層流中，相鄰層之間很少發(fā)生混合，并且即使出現(xiàn)波動(dòng)，都是非混亂的。當(dāng)流體流動(dòng)中的粘性力大于內(nèi)部動(dòng)力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)層流。湍流則不同，在湍流中，流體微團(tuán)會(huì)發(fā)生不規(guī)則和混亂的運(yùn)動(dòng)，如形成的漩渦和渦流。層流最常見于流速相對(duì)較低的粘性流體。

工程師之所以需要關(guān)注層流，是因?yàn)闊o混合和相對(duì)穩(wěn)定的流體運(yùn)動(dòng)，會(huì)影響流體周圍固體物體上的載荷、流體中發(fā)生的混合以及傳熱。有時(shí)，工程師會(huì)需要使流動(dòng)保持層流狀態(tài)，例如在手術(shù)室中，需要層流氣流將污染物從患者身上帶走。但另一方面，有的設(shè)計(jì)也可能會(huì)需要利用湍流，例如在高爾夫球應(yīng)用中，層流反而會(huì)增加阻力。

如何計(jì)算和表征層流？

由于層流具有流線型、分層的特點(diǎn)，工程師使用方程來計(jì)算流體速度、速度波動(dòng)以及由湍流引起的壓力波動(dòng)，而這種表征始于一個(gè)被稱為雷諾數(shù)的無量綱量。然后，其他方程可捕獲有助于設(shè)計(jì)或測(cè)量層流的其他行為。

預(yù)測(cè)層流：雷諾數(shù)

英國(guó)研究員Osborne Reynolds于1883年發(fā)表了一篇論文，描述了簡(jiǎn)單管道中水流從層流到湍流的過渡過程。他的觀察結(jié)果表明，內(nèi)部力與粘性力之間的比值可以預(yù)測(cè)湍流發(fā)生的可能性。這一無量綱值比值，就被稱為雷諾數(shù)（Reynolds number）。

雷諾數(shù)的方程為：

ρ=流體密度（kg/m3）

u =流速（m/s）

L=特征維數(shù)或特征長(zhǎng)度，例如管徑、水力直徑、等效直徑、翼型弦長(zhǎng)（m）

μ=流體的動(dòng)態(tài)粘度（Pa·s）

v=運(yùn)動(dòng)粘度（m2/s）

雷諾的研究表明，雷諾數(shù)較低的管道流動(dòng)保持為層流，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈ψ銐虻哪芰?這種能量以慣性力體現(xiàn))，無法將流體運(yùn)動(dòng)中的任何不穩(wěn)定性轉(zhuǎn)化為垂直于平均流動(dòng)方向的流動(dòng)。然后，隨著流體速度或密度相對(duì)于流體粘度的增加，就更有可能形成湍流。

層流的重要特征

在處理層流時(shí)，工程師、物理學(xué)家和化學(xué)家還要注意以下一些特征：

邊界層

邊界層是與固體表面相鄰的流動(dòng)層。如果流動(dòng)類型為層流，那么在邊界層中，流動(dòng)將與表面保持平行。流體在表面的速度為零，稱為無滑移邊界條件；而流速會(huì)隨著離表面距離的增加而單調(diào)上升，直到達(dá)到主體流體的速度。邊界層可以是層流，也可以是湍流。邊界層的厚度和速度分布，是確定壁面剪切力阻力和傳熱的重要特征。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真示例：一個(gè)具有體積的空間中，存在一個(gè)移動(dòng)平板時(shí)的層流流動(dòng)。平板表面的相對(duì)速度為零，然后單調(diào)增加到主體速度。

擴(kuò)散

在湍流中，交叉流渦流主導(dǎo)了各流體層之間的混合，而層流與湍流不同，其流線型流動(dòng)模式使每層流動(dòng)層的粒子彼此分離，混合只能通過相鄰層之間的擴(kuò)散來進(jìn)行。擴(kuò)散，是物質(zhì)從高濃度向低濃度的移動(dòng)。因此，在層流中，粒子會(huì)從特定物質(zhì)濃度較高的層移動(dòng)到濃度較低的相鄰層。

表面粗糙度

表面粗糙度是工程師在設(shè)計(jì)時(shí)可以控制的參數(shù)，以保持或破壞層流。表面越粗糙，邊界層的摩擦阻力就越大，如果剪切應(yīng)力增長(zhǎng)到足以克服粘性力，流動(dòng)就將從層流過渡到湍流。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)葉片的設(shè)計(jì)就是一個(gè)良好例證，其中金屬表面的粗糙度會(huì)極大地影響湍流邊界層的形成，從而影響葉片的性能。

速度剖面

由于層流并非雜亂無章，因此可以清晰地描繪出速度在整個(gè)流動(dòng)方向上的變化情況，這被稱為速度剖面。速度剖面是一種簡(jiǎn)單的方法，可查看高流速區(qū)域和低流速區(qū)域的位置，以及了解當(dāng)幾何結(jié)構(gòu)或入口發(fā)生變化時(shí)，速度會(huì)受到怎樣的影響。

如何對(duì)層流進(jìn)行分析？

由于在層流中流體以平行層的形式流動(dòng)，因此可以使用流體力學(xué)的控制方程——納維-斯托克斯方程來計(jì)算層流狀態(tài)下的流體行為。這些方程定義了質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒，以描述流體的壓力和速度。圓柱形管道內(nèi)或兩塊平板之間的簡(jiǎn)單流動(dòng)，可以使用解析解（封閉形式解）來表征。但是，對(duì)于形狀更復(fù)雜的管道內(nèi)部和周圍的流動(dòng)，則需要使用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）來離散化流動(dòng)體積，然后求解隨時(shí)間變化的壓力、速度和溫度。

由于層流會(huì)沿著邊界表面的形狀流動(dòng)，因此層流建模成功的關(guān)鍵之一是創(chuàng)建與該表面平行的網(wǎng)格，即離散化步驟，以便最好地捕獲邊界層。工程師通常使用像Ansys TurboGrid?渦輪葉片網(wǎng)格劃分軟件這樣的工具，為已知拓?fù)渥詣?dòng)創(chuàng)建高效、準(zhǔn)確的邊界層網(wǎng)格。

由于CFD程序會(huì)求解模型中每個(gè)網(wǎng)格單元中的流動(dòng)，因此形狀均勻網(wǎng)格的任何變形，或單元尺寸的突然變化，都會(huì)導(dǎo)致求解中的數(shù)值誤差。構(gòu)建CFD模型的工程師在創(chuàng)建網(wǎng)格過程中會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間，以確保其網(wǎng)格表現(xiàn)良好且高效，這是因?yàn)榫W(wǎng)格單元的數(shù)量決定了運(yùn)行時(shí)間。因此，擁有一款包含網(wǎng)格劃分功能的工具（如Ansys Fluent?流體仿真軟件）非常重要，這些功能可幫助用戶創(chuàng)建高效的網(wǎng)格拓?fù)洌瑥亩鴮?shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的解決方案。

層流分析中，大量工作都集中于試圖確定流動(dòng)何時(shí)轉(zhuǎn)捩為湍流。對(duì)于湍流分析，除了求解標(biāo)準(zhǔn)納維-斯托克斯方程外，還需要其他數(shù)學(xué)模型。因此，即使您的目標(biāo)是在整個(gè)幾何結(jié)構(gòu)建模過程中保持層流，也可能需要進(jìn)行一些湍流分析工作。

在過去十年中，層流分析領(lǐng)域的一個(gè)變化是使用圖形處理單元（GPU）來求解CFD模型。使用一個(gè)或多個(gè)此類計(jì)算加速器，可以大幅縮短給定模型的運(yùn)行時(shí)間，使工程師能夠在相對(duì)便宜的工作站上進(jìn)行CFD求解，或在相同的時(shí)間內(nèi)完成更多的設(shè)計(jì)迭代。

為什么了解層流如此重要？

從管道中的流動(dòng)到飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)，無論您正在處理哪種類型的流體，了解和正確預(yù)測(cè)層流都是設(shè)計(jì)產(chǎn)品（從核電廠到最新高性能飛機(jī)）的重要環(huán)節(jié)。如上所述，了解層流通常涉及到了解在所處理的應(yīng)用中，什么范圍的雷諾數(shù)會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)從層流過渡到湍流。

實(shí)驗(yàn)室中的層流罩就是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例——科學(xué)家和技術(shù)人員可以在這些盒子中處理有害物質(zhì)，因?yàn)檫M(jìn)入罩內(nèi)并向上從通風(fēng)口排出的直線氣流會(huì)確保他們的安全。再比如，以高爾夫球?yàn)槔藗兿ＭM快引入湍流以減小阻力。

當(dāng)需要在流體中輸送多種物質(zhì)而不發(fā)生過多混合時(shí)（通常是為了將輸送的物質(zhì)沉積在某個(gè)位置），層流也很重要。例如，在半導(dǎo)體制造中，設(shè)計(jì)化學(xué)氣相沉積室的工程師需要使進(jìn)入氣相沉積室和晶圓上方的流體形成均勻?qū)恿鳎詫?shí)現(xiàn)所處理化學(xué)物質(zhì)的均勻沉積。

歡迎聯(lián)系我們，以進(jìn)一步了解Ansys軟件如何幫助企業(yè)利用仿真的預(yù)測(cè)功能來突破設(shè)計(jì)極限。

點(diǎn)擊立即聯(lián)系A(chǔ)nsys

相關(guān)閱讀

年度盛會(huì) | Ansys 2025 全球仿真大會(huì)圓滿落幕

大賽結(jié)果公布及大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)展示安排 | “Ansys 2025 全球仿真大會(huì)”仿真應(yīng)用大賽

Ansys宣布達(dá)成協(xié)議，使用戶能夠在仿真解決方案中使用NVIDIA Omniverse技術(shù)

Ansys 2025 R2 發(fā)布：憑借AI、智能自動(dòng)化和更廣泛的按需能力，推動(dòng)生產(chǎn)力實(shí)現(xiàn)躍升

Synopsys與Ansys合而為一，共啟新紀(jì)元

一期一會(huì) | 從這里開啟工程仿真的旅程