邊界層設置
關注創建者：。_2524 創建時間：2019-03-17
邊界層設置的視頻教程
1.3spaceclaim中mesh（beta）邊界層設置與操作
spaceclaim 2019 R1以上版本已有mesh（beta）功能，其自由建模的思路用在網格劃分是非常有意思的，本視頻主要通過兩個案例講解邊界層的設置，第一個案例講解邊界成的一般運用，第二個案例通過在曲面小孔的網格劃分，加深理解邊界層的操作，以及如何運用網格中的過濾器過濾點線邊，對希望熟悉以及掌握soaceclaim的朋友非常有裨益，視頻中直接講解了模型建立的全過程，利用spaceclaim
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Hyper mesh 2D邊界層繪制
邊界層網格創建： 深入講解邊界層網格的概念和重要性。 演示如何在HyperMesh中創建邊界層網格，包括選擇表面、設置邊界層參數和生成網格。 視頻特色： 實操性強：通過實際案例演示，讓您在操作中掌握技能。 詳細講解：對每個步驟進行細致講解，確保您能夠跟上節奏。 互動性強：視頻中包含問答環節，幫助您鞏固所學知識。
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邊界層設置的實例教程
在進行湍流仿真計算時，對于流體域截面積存在突變的情況，如果采用固定邊界層厚度值，可能會使注流速區網格不滿足仿真要求。本案例僅運用Star CCM+前處理完成可變邊界層厚度設置，sim文件如下。
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
比較和對比層流和湍流。
深入研究層流邊界層的特性。
重點關注層流邊界層的熱力學。
層流邊界層的特征決定了低流速的相對有序行為
足夠慢地打開水槽水龍頭頭，您可能會看到一些有趣的東西。在低流速下，水以易于觀察的整體形狀流動，但在達到一定流速后，這種形狀就會變成混亂、不透明的激流。流速有影響，但推動變化的底層結構是什么？答案是流動可以分為層流或湍流，并且每一種都與某些特性相關聯。
對于外行人來說，“動蕩”是一個人們可能有一些經驗的術語，即使他們不了解這種現象的細節。兩者之間的主要區別歸結為邊界層——與固體相鄰的一段流體，其大小和功能可能因流體和固體而異。層流邊界層的特征因其結構化性質和它們提供的性能優勢而特別值得注意。
描述層流邊界層的特征
當流體流過固體時，會建立一個邊界層，其中流體粒子相對于表面的速度為零。由于流體和固體之間的粘附力克服了液體顆粒之間的內聚力，因此存在這種稱為無滑移條件的特性。邊界層的存在可以產生具有低雷諾數（慣性力與粘性力之比）的粘性層連續體，其粘性隨距邊界層的距離成比例增加。這是層流的情況，由于類似表面水平阻力的減少，層流通常被視為與密切相關的湍流相比更可取的狀態。
雖然表現良好的層流相對不穩定 - 如果距離流體經過浸沒固體的點有足夠的距離 - 層流讓位于湍流。稱為邊界層控制的流體動力學的一個子集涉及設計技術以最大化流動過渡之前的距離。通常，實體的最厚點應盡可能遠離邊界層的初始點，以降低雷諾數以獲得盡可能長的距離。
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關鍵要點
湍流邊界層和層流邊界層之間的區別。
層流流體的特點是什么？
如何用層流分析邊界。
層流邊界層與湍流邊界流層的比較
由于所有物質都是由原子粒子組成的，因此量子力學的原理支配著所有運動。海森堡測不準原理是量子力學的一個重要基礎，它斷言任何物理系統的準確數據水平都是有限的。換句話說，系統狀態總是有一些未知的方面是無法知道的，因此無法在原子級別直接控制。
幸運的是，在處理經典物理學級別的物體時，這一重要原理的影響通常可以忽略不計。然而，可控性的概念通常適用于處理空氣動力流體流動等物理現象。最好的系統設計是基于對自然發生的理想層流邊界層和混沌湍流邊界層之間差異的透徹理解。
湍流邊界層與層流邊界層的區別
就它們對飛機飛行的影響而言，湍流和層流邊界層可以被認為是相反的。層流是更可取的，因為它有助于穩定和平穩的飛行，而湍流會導致飛行顛簸，并且會由于增加的阻力（主要空氣動力之一）而威脅飛機保持其航向和高度的能力。從圖形的角度來看，這種差異非常明顯，如下所示。
層流與湍流剖面。圖片來自Bronkhorst。
如上所示，湍流邊界層與層流邊界層的流體活動之間存在顯著差異。這種變化的一個跡象是雷諾數，當該層表現出湍流時雷諾數高于 3000，而對于層流通常低于 2300。如下所述，還有其他重要特征表明流動是層流的。
層流的特性
無量綱雷諾數是邊界層中存在的流體流動類型的重要指標，是層流邊界層流動的顯著屬性之一，如下所列。
層流流體流動邊界層屬性
? 分層流動
層流的特點是獨特而獨立的層，它們滑過但又
不跨越水平相鄰層。
展開 STAR-CCM+邊界層網格處理
STAR-CCM+邊界層網格生成方法非常簡單，默認設置如圖6所示，邊界層定義方法采用Stretch factor，需要定義的參數有：Numberof Prism Layer （邊界層總層數），Prism layer stretching（相鄰層間的比例），Prism LayerTotal Thickness（邊界層總厚度），邊界第一層網格厚度通過上述三個參數計算得出。
圖6 Stretch Factor方法
如果想直接定義底層厚度，只需要在Prism Layer Mesher的屬性欄里更改生成方法，相應的參數變更為Prism Layer Near WallThickness（底層厚度），層間增長率通過計算得出。
圖7 wallThickness方法
以NASA CRM飛機模型巡航狀態工況為例（Ma=0.85，Re=5000000，特征弦長Lc=7m），若采用圖7的wallThickness方法，需要確定三個主要參數：
1. Prism Layer Near WallThickness（底層網格厚度）
可通過下列公式計算y+=1條件下的底層網格厚度，為0.037mm
2. Prism Layer TotalThickness（邊界層總厚度）
利用
計算得出
3. Number of PrismLayer （邊界層總層數）
外氣動計算一般推薦層間增長率在1.2~1.3之間，此處取增長率1.2，可計算得到大約需要35層邊界層。
展開 任何固體壁面都有粗糙度，流體流過具有一定粗糙度的固體壁面時，最貼近壁面一層的流動被阻擋，速度驟降，然后，由于流體粘性，這一層就拉著下一層流體，下一層一邊走一邊拉著下下一層的流體，這樣一層一層往后傳遞，就導致被影響的區域沿流動方向越來越厚，從垂直壁面的角度（方向）看，流體速度從接近零增加到主流速99%的時候，就以此為界，定義其和壁面之間的區域叫邊界層。
用AICFD做了個仿真，給大家更直觀地看一下邊界層的樣子。
邊界層在實際工程中得很多場景都是必須要考慮的重要因素，比如風洞試驗中，邊界層會導致風洞的有效直徑變小，影響流動參數。
到此，邊界層的概念應該解釋清楚了。接下來看一下層流和湍流，他們是流體2種不同的流動狀態。
層流，可以理解為流動是分層的，層與層之間不會互相干擾。有時，你甚至很難注意到它在流動。
而湍流，就是不同層之間的流體互相干擾、互相混合，一眼看過去，就是一個大寫的“亂”字。有時稱其為亂流、擾流或者紊流。大部分工程問題都是湍流。
AICFD做了仿真，給大家看一下數值模擬層流和湍流的樣子。
那么一股流體的流動，是層流還是湍流，和什么有關系呢？
1883年，英國物理學家雷諾，做了著名的圓管流動試驗。展示了層流還是湍流，可以用一個無量綱數來判斷：ρvd/μ，也就是后來大名鼎鼎的雷諾數Re。雷諾數Re越大，流動就越容易是湍流。這個公式不展開講，里面v是流速，μ、ρ、d分別是流體動力粘性系數、密度和特征長度，很多情況這三個數是不變的，雷諾數表現出和流體速度正相關。
簡單理解，慢慢流是層流，流快了就變湍流了。而層流不是瞬間變換到湍流，中間過程叫“過渡流動”。層流到湍流之間的變化，專業術語叫：轉捩。再實際工程中首先要估算雷諾數，判斷是層流還是湍流，然后再按照不同的模型去分析和計算。
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邊界層設置的最新內容
邊界層設置需在壁面邊界配置5~7層棱柱網格（首層高度根據y+＜5計算確定，通常為0.1~0.3mm），增長率采用1.2~1.5的指數分布，并在Mesh→Global Mesh Setup中開啟"Height Ratio Control"防止層間畸變。
邊界層模型設置
案例：NASA和麻省理工合作開發D8概念機，采用后置發動機吸入機身上表面邊界層減阻。
在 CAD 里，將圖形特性設置為隨層，意味著圖形的顏色、線型、線寬等特性會和所在圖層的設置保持一致。以下是設置圖形特性為隨層的具體方法：
單個圖形對象設置
如果你僅需對單個圖形對象設置特性隨層，可以按以下步驟操作：
選擇對象：使用鼠標或者選擇工具選中你想要設置特性隨層的圖形對象。
打開 “特性” 面板：可以通過快捷鍵 “Ctrl + 1”，或者在菜單欄中選擇
在x和y方向我們選擇周期性邊界條件（注意：x方向設一個周期性邊界，y方向設一個周期性邊界），如下圖所示，
z方向是我們的入射方向，在完美匹配層邊界處設置入射端口和出射端口。
這里我們選擇TM模式激發，考慮沿x軸斜入射的情況，磁場方向始終與波矢方向垂直，沿y方向。
具體網格尺寸設置如下：
全局網格：0.1-0.6mm， 在高級選項下全局邊界層設置中勾選自動縮減功能，以更好地控制下閘區域的邊界層網格過度
進口段局部網格尺寸：0.1-0.6mm
葉輪局部網格尺寸：
blade：0.3mm
Hub：0.1-0.5mm
Shroud：0.1-0.5mm
葉輪出口與過渡段入口內部面尺寸：0.3mm
邊界層：首層高度0.05，共三層
src="https://img.jishulink.com/msimage/202410/261134bbafc1deaaaa3df392e0c295a5.png"></p><p><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202410/28877dbd2747b0e4c6f0cd828fe5edfc.png"></p><p>2.4? 網格邊界層設置
之前的視頻中有時會提到一些流體力學名詞，之后應該也會用到，因為看文章的朋友們不一定是流體領域的，所以可能對這些名詞不太熟悉，建議我解釋解釋。咱們今天的視頻就解釋三個名詞：邊界層、層流和湍流。我盡量用和流體沒有關系的語言來表述表達，讓所有領域的伙伴們都能聽得懂。
首先，邊界層。書本定義是：當流體流過固體表面時，由于流體的粘性，會在固體表面形成一個厚度逐漸增加的薄層。薄層內垂直壁面方向，流體速度逐漸增大
同時，它還支持局部加密網格和設置邊界層網格，自動處理模型之間的覆蓋重疊并識別流動傳熱邊界，還可查看網格質量信息以及進行平面網格投影。
面網格推薦尺寸如下：
? 內腔主要流域：10-15 mm
? 芯包流域：0.2-0.4 mm
? 出口管段流域：10-15 mm
圖2 迷宮式調節閥的面網格
體網格類型選擇多面體和邊界層的混合網格，邊界層的厚度由所需的Y+值確定，合適的Y+值要依據雷諾數及壁面處理方式來確定，在邊界層設置中，使用Y+計算器，輸入相對速度、密度、動力粘度和所需Y+值進行估算，就能獲得邊界層的第一層層高
混凝土的細觀結構決定著其宏觀破壞行為，對混凝土在結構尺度上采用細觀模型將導致巨大的計算量而難以實現，表征體元（?REV）?方法可選取一定的平均范圍來描述混凝土的性質和行為，這對于理解和模擬混凝土的損傷機理至關重要。
本案例在Abaqus內采用Random Sphere RVE 3D（Mesh
