邊界層設(shè)置的案例
運(yùn)用Star CCM+生成流體域的可變邊界層網(wǎng)格 ￥10
在進(jìn)行湍流仿真計(jì)算時(shí)，對(duì)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(huì)使注流速區(qū)網(wǎng)格不滿足仿真要求。本案例僅運(yùn)用Star CCM+前處理完成可變邊界層厚度設(shè)置，sim文件如下。
層流邊界層的特征
作者Cadence CFD 解決方案
關(guān)鍵要點(diǎn)
比較和對(duì)比層流和湍流。
深入研究層流邊界層的特性。
重點(diǎn)關(guān)注層流邊界層的熱力學(xué)。
層流邊界層的特征決定了低流速的相對(duì)有序行為
足夠慢地打開(kāi)水槽水龍頭頭，您可能會(huì)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(dòng)，但在達(dá)到一定流速后，這種形狀就會(huì)變成混亂、不透明的激流。流速有影響，但推動(dòng)變化的底層結(jié)構(gòu)是什么？答案是流動(dòng)可以分為層流或湍流，并且每一種都與某些特性相關(guān)聯(lián)。
對(duì)于外行人來(lái)說(shuō)，“動(dòng)蕩”是一個(gè)人們可能有一些經(jīng)驗(yàn)的術(shù)語(yǔ)，即使他們不了解這種現(xiàn)象的細(xì)節(jié)。兩者之間的主要區(qū)別歸結(jié)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(jié)構(gòu)化性質(zhì)和它們提供的性能優(yōu)勢(shì)而特別值得注意。
描述層流邊界層的特征
當(dāng)流體流過(guò)固體時(shí)，會(huì)建立一個(gè)邊界層，其中流體粒子相對(duì)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(nèi)聚力，因此存在這種稱為無(wú)滑移條件的特性。邊界層的存在可以產(chǎn)生具有低雷諾數(shù)（慣性力與粘性力之比）的粘性層連續(xù)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(lèi)似表面水平阻力的減少，層流通常被視為與密切相關(guān)的湍流相比更可取的狀態(tài)。
雖然表現(xiàn)良好的層流相對(duì)不穩(wěn)定 - 如果距離流體經(jīng)過(guò)浸沒(méi)固體的點(diǎn)有足夠的距離 - 層流讓位于湍流。稱為邊界層控制的流體動(dòng)力學(xué)的一個(gè)子集涉及設(shè)計(jì)技術(shù)以最大化流動(dòng)過(guò)渡之前的距離。通常，實(shí)體的最厚點(diǎn)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離邊界層的初始點(diǎn)，以降低雷諾數(shù)以獲得盡可能長(zhǎng)的距離。
展開(kāi) CFD學(xué)習(xí)：層流邊界層
作者Cadence CFD 解決方案
關(guān)鍵要點(diǎn)
湍流邊界層和層流邊界層之間的區(qū)別。
層流流體的特點(diǎn)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(zhì)都是由原子粒子組成的，因此量子力學(xué)的原理支配著所有運(yùn)動(dòng)。海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理是量子力學(xué)的一個(gè)重要基礎(chǔ)，它斷言任何物理系統(tǒng)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)水平都是有限的。換句話說(shuō)，系統(tǒng)狀態(tài)總是有一些未知的方面是無(wú)法知道的，因此無(wú)法在原子級(jí)別直接控制。
幸運(yùn)的是，在處理經(jīng)典物理學(xué)級(jí)別的物體時(shí)，這一重要原理的影響通常可以忽略不計(jì)。然而，可控性的概念通常適用于處理空氣動(dòng)力流體流動(dòng)等物理現(xiàn)象。最好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于對(duì)自然發(fā)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(qū)別
就它們對(duì)飛機(jī)飛行的影響而言，湍流和層流邊界層可以被認(rèn)為是相反的。層流是更可取的，因?yàn)樗兄诜€(wěn)定和平穩(wěn)的飛行，而湍流會(huì)導(dǎo)致飛行顛簸，并且會(huì)由于增加的阻力（主要空氣動(dòng)力之一）而威脅飛機(jī)保持其航向和高度的能力。從圖形的角度來(lái)看，這種差異非常明顯，如下所示。
層流與湍流剖面。圖片來(lái)自Bronkhorst。
如上所示，湍流邊界層與層流邊界層的流體活動(dòng)之間存在顯著差異。這種變化的一個(gè)跡象是雷諾數(shù)，當(dāng)該層表現(xiàn)出湍流時(shí)雷諾數(shù)高于 3000，而對(duì)于層流通常低于 2300。如下所述，還有其他重要特征表明流動(dòng)是層流的。
層流的特性
無(wú)量綱雷諾數(shù)是邊界層中存在的流體流動(dòng)類(lèi)型的重要指標(biāo)，是層流邊界層流動(dòng)的顯著屬性之一，如下所列。
層流流體流動(dòng)邊界層屬性
? 分層流動(dòng)
層流的特點(diǎn)是獨(dú)特而獨(dú)立的層，它們滑過(guò)但又
不跨越水平相鄰層。
展開(kāi) 流體力學(xué)核心概念：邊界層、層流和湍流
任何固體壁面都有粗糙度，流體流過(guò)具有一定粗糙度的固體壁面時(shí)，最貼近壁面一層的流動(dòng)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(dǎo)致被影響的區(qū)域沿流動(dòng)方向越來(lái)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(shí)候，就以此為界，定義其和壁面之間的區(qū)域叫邊界層。
用AICFD做了個(gè)仿真，給大家更直觀地看一下邊界層的樣子。
邊界層在實(shí)際工程中得很多場(chǎng)景都是必須要考慮的重要因素，比如風(fēng)洞試驗(yàn)中，邊界層會(huì)導(dǎo)致風(fēng)洞的有效直徑變小，影響流動(dòng)參數(shù)。
到此，邊界層的概念應(yīng)該解釋清楚了。接下來(lái)看一下層流和湍流，他們是流體2種不同的流動(dòng)狀態(tài)。
層流，可以理解為流動(dòng)是分層的，層與層之間不會(huì)互相干擾。有時(shí)，你甚至很難注意到它在流動(dòng)。
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(guò)去，就是一個(gè)大寫(xiě)的“亂”字。有時(shí)稱其為亂流、擾流或者紊流。大部分工程問(wèn)題都是湍流。
AICFD做了仿真，給大家看一下數(shù)值模擬層流和湍流的樣子。
那么一股流體的流動(dòng)，是層流還是湍流，和什么有關(guān)系呢？
1883年，英國(guó)物理學(xué)家雷諾，做了著名的圓管流動(dòng)試驗(yàn)。展示了層流還是湍流，可以用一個(gè)無(wú)量綱數(shù)來(lái)判斷：ρvd/μ，也就是后來(lái)大名鼎鼎的雷諾數(shù)Re。雷諾數(shù)Re越大，流動(dòng)就越容易是湍流。這個(gè)公式不展開(kāi)講，里面v是流速，μ、ρ、d分別是流體動(dòng)力粘性系數(shù)、密度和特征長(zhǎng)度，很多情況這三個(gè)數(shù)是不變的，雷諾數(shù)表現(xiàn)出和流體速度正相關(guān)。
簡(jiǎn)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(guò)程叫“過(guò)渡流動(dòng)”。層流到湍流之間的變化，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)叫：轉(zhuǎn)捩。再實(shí)際工程中首先要估算雷諾數(shù)，判斷是層流還是湍流，然后再按照不同的模型去分析和計(jì)算。
展開(kāi) 
平板上邊界層從層流到湍流轉(zhuǎn)變
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說(shuō)明
本案例介紹了平板上邊界層從層流到湍流轉(zhuǎn)變。
計(jì)算域：平板長(zhǎng)度2m
物質(zhì)屬性：密度1.2 kg/m3，粘度為1.831e-5kg/m-s
邊界條件：來(lái)流速度為5.3m/s，渦流粘度比9.7
網(wǎng)格劃分
采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為38896
計(jì)算設(shè)置
本次計(jì)算為穩(wěn)態(tài)湍流計(jì)算。
物質(zhì)屬性
計(jì)算域內(nèi)流體物質(zhì)為空氣，設(shè)置它的密度和粘性參數(shù)
湍流模型
湍流模型選擇瞬態(tài)SST模型
邊界條件
計(jì)算域左側(cè)為速度入口
計(jì)算域右側(cè)為壓力出口
計(jì)算域下側(cè)為對(duì)稱邊界條件
平板壁面為無(wú)滑移邊界條件
設(shè)置求解方法和松弛因子
計(jì)算結(jié)果
計(jì)算域壓力場(chǎng)云圖
計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比
平板上表面摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比
注意：這里表面摩擦系數(shù)=壁面切應(yīng)力/(0.5*密度*來(lái)流速度^2)
參考文獻(xiàn)
A. M. Savill. “Some recent progress in the turbulence modeling of bypass
transition”. Near-Wall Turbulent Flows. Elsevier Science Publishers, pp.
829-848,1993.
P.E. Roach, D.H. Brierley. “The influence of a turbulent free stream on zero
pressure gradient transitional boundary layer development. Part I: Test
Cases T3A and T3B”.
展開(kāi) 邊界層理論及壁面方法
STAR-CCM+邊界層網(wǎng)格處理
STAR-CCM+邊界層網(wǎng)格生成方法非常簡(jiǎn)單，默認(rèn)設(shè)置如圖6所示，邊界層定義方法采用Stretch factor，需要定義的參數(shù)有：Numberof Prism Layer （邊界層總層數(shù)），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(wǎng)格厚度通過(guò)上述三個(gè)參數(shù)計(jì)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(yīng)的參數(shù)變更為Prism Layer Near WallThickness（底層厚度），層間增長(zhǎng)率通過(guò)計(jì)算得出。
圖7 wallThickness方法
以NASA CRM飛機(jī)模型巡航狀態(tài)工況為例（Ma=0.85，Re=5000000，特征弦長(zhǎng)Lc=7m），若采用圖7的wallThickness方法，需要確定三個(gè)主要參數(shù)：
1. Prism Layer Near WallThickness（底層網(wǎng)格厚度）
可通過(guò)下列公式計(jì)算y+=1條件下的底層網(wǎng)格厚度，為0.037mm
2. Prism Layer TotalThickness（邊界層總厚度）
利用
計(jì)算得出
3. Number of PrismLayer （邊界層總層數(shù)）
外氣動(dòng)計(jì)算一般推薦層間增長(zhǎng)率在1.2~1.3之間，此處取增長(zhǎng)率1.2，可計(jì)算得到大約需要35層邊界層。
展開(kāi) CFD學(xué)習(xí)：Y+邊界層厚度
Y+值決定了邊界層厚度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
1 到 30 之間的 Y+ 值被認(rèn)為適合模擬。
讓我們考慮一個(gè)流體流過(guò)平板的常見(jiàn)示例。在板的表面附近，流體由于摩擦而減速并形成稱為邊界層的薄層。邊界層的厚度計(jì)算為表面與流體流速等于 99% 自由流速度的點(diǎn)之間的距離。該邊界層的估計(jì)非常重要，因?yàn)樗軌蛑С肿枇蜕Φ念A(yù)測(cè)、流固耦合的理解以及流固設(shè)計(jì)和優(yōu)化的湍流建模。
在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 中，使用稱為 Y+ 值的參數(shù)可以更輕松地估算邊界層厚度。Y+邊界層厚度有助于提高流體模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。
在本文中，我們將深入探討流體系統(tǒng)分析中 Y+ 值與邊界層厚度之間的關(guān)系。
了解 Y+ 值
Y+ 值是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，表示從第一個(gè)網(wǎng)格單元格到表面壁的距離。
在CFD中，Y+值是決定邊界層厚度精度的重要參數(shù)。在數(shù)學(xué)上，Y+ 值可以計(jì)算為：
Y+值的公式
這里，u_τ是摩擦速度，y是壁距，μ是流體的運(yùn)動(dòng)粘度。
摩擦速度可以根據(jù)壁面剪切應(yīng)力 τ_w 計(jì)算：
摩擦速度公式
https://drive.google.com/file/d/1rtvROyksCT_Fj0OyhyjnBTx5guu7Pcoe/view?usp=share_link
（替代文字：摩擦速度公式）
由上式可推導(dǎo)出壁面剪應(yīng)力方程為：
壁面剪應(yīng)力公式
上式用表面摩擦系數(shù) (C_f) 和自由流速度 (U_f) 表示。
由于邊界層厚度分析中Y+的值是由上述等式推導(dǎo)出來(lái)的，因此有以下幾點(diǎn)需要注意：
如果 Y+ <1，則第一個(gè)網(wǎng)格單元位于層流子層內(nèi)。
如果 Y+ > 30，則第一個(gè)網(wǎng)格單元位于粘性子層內(nèi)。
展開(kāi) 在 CFD 分析中計(jì)算邊界層厚度
邊界層厚度計(jì)算為從該表面到速度為 99% 自由流的點(diǎn)的距離。
邊界層厚度計(jì)算的復(fù)雜性因結(jié)構(gòu)幾何形狀和流動(dòng)性質(zhì)而異。
使用 CFD 求解器分析邊界層厚度有助于系統(tǒng)優(yōu)化以提高效率。
從玻璃杯中倒水時(shí)，您可能會(huì)注意到靠近表面的水層移動(dòng)速度比其余體積液體慢。這是因?yàn)樗俣仁芰黧w和玻璃表面之間的摩擦力的影響?？拷砻?，形成邊界層。這種行為在各種流動(dòng)中都可以觀察到——例如，當(dāng)風(fēng)吹過(guò)飛機(jī)機(jī)翼或當(dāng)水與水翼船接觸時(shí)。問(wèn)題在于該邊界層的厚度以及它如何影響流動(dòng)和流體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
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(jì)算 CFD 中的邊界層厚度，并優(yōu)化流體系統(tǒng)以獲得最大效率。
邊界層厚度
邊界層是指在流動(dòng)過(guò)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(dòng)速度，并形成了一個(gè)低速區(qū)——邊界層。因此，邊界層也可以通過(guò)速度的逐漸過(guò)渡來(lái)表征。
隨著流體遠(yuǎn)離表面移動(dòng)，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(dá)到 99% 自由流的點(diǎn)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(dòng)是層流還是湍流。讓我們考慮在平板上流動(dòng)的流體。在層流邊界層中，流動(dòng)平穩(wěn)且摩擦較小。在這種情況下，可以使用 Blasius 解決方案計(jì)算邊界層厚度：
δ 是邊界層厚度
x是平板的長(zhǎng)度
Re 是雷諾數(shù)
湍流可能與表面粗糙度過(guò)高、流動(dòng)隨機(jī)性和強(qiáng)度增加有關(guān)。因此，CFD 中邊界層厚度的計(jì)算可以簡(jiǎn)單地作為一個(gè)估計(jì)值。
展開(kāi) 流體網(wǎng)格為什么有邊界層劃分
求解高雷諾數(shù)繞流問(wèn)題時(shí)，可把流動(dòng)分為邊界層內(nèi)的粘性流動(dòng)和邊界層外的理想流動(dòng)兩部分，分別迭代求解。邊界層有層流、湍流、混合流 ，低速（不可壓縮）、高速（可壓縮）以及二維、三維之分。由于粘性與熱傳導(dǎo)緊密相關(guān)，高速流動(dòng)中除速度邊界層外，還有溫度邊界層。
三、邊界層厚度
邊界層內(nèi)從物面 （當(dāng)?shù)厮俣葹榱悖╅_(kāi)始，沿法線方向至速度與當(dāng)?shù)刈杂闪魉俣萓 相等（嚴(yán)格地說(shuō)是等于0.990或0.995U）的位置之間的距離，記為δ 。
邊界層厚度與流動(dòng)的雷諾數(shù)、自由流的狀態(tài)、物面粗糙度、物面形狀和延展范圍都有關(guān)系。由繞流物體頭部（前緣）起，邊界層厚度從零開(kāi)始沿流動(dòng)方向逐漸增厚。當(dāng)空氣流的雷諾數(shù)為Rex=10時(shí)，在距前緣1米處，平板上層流邊界層的厚度為3.5毫米。在平滑平板上，層流邊界層的厚度。
四、層流邊界層
流體繞物體流動(dòng)時(shí)，在物體的前端或上游部分的邊界層，一般是層流邊界層。沿曲面的層流邊界層。由于外流速度有變化，與平板有所不同，但速度分布大致類(lèi)似。緊貼物面的速度梯度較大，因而剪應(yīng)力也較大。物面上的剪應(yīng)力為：
式中， 為流體動(dòng)力粘性系數(shù)。算出了τ0，就可求出物面的摩擦阻力系數(shù)和摩擦阻力。
展開(kāi) CFD理論|流動(dòng)邊界層
導(dǎo)讀：介紹流動(dòng)邊界層。
邊界層理論
流動(dòng)中繞物理表面速度梯度很大的薄層稱為邊界層，邊界層內(nèi)的速度梯度很大，也就是意味著粘性力對(duì)流動(dòng)有影響作用，而在邊界層以外的廣大區(qū)域速度梯度很小，粘性的影響可以忽略。
邊界層特征
既然有邊界層，那么邊界層與外流動(dòng)區(qū)域就應(yīng)該有界限。通常將各個(gè)截面上速度恢復(fù)到0.99倍的主流速度的所有流體質(zhì)點(diǎn)的連線定義為
邊界層外邊界。
把外邊界到物面的垂直距離定義為
名義邊界層厚度。
伴隨著流動(dòng)的發(fā)展，邊界層又可以分為層流邊界層，轉(zhuǎn)捩區(qū)（過(guò)渡區(qū)），湍流邊界層。在大部分的工程問(wèn)題中可以忽略轉(zhuǎn)捩的影響，考慮的是湍流邊界層。
邊界層分層
在湍流邊界層中，流體會(huì)同時(shí)受到粘性切應(yīng)力和湍流附加切應(yīng)力。以y表示離開(kāi)壁面的距離，隨著y增加，粘性切應(yīng)力的影響逐漸較小，而且湍流附加切應(yīng)力的影響開(kāi)始增大，而后逐漸減小。
因此湍流邊界層又可以
內(nèi)層和外層。內(nèi)層包括粘性底層，過(guò)渡層和對(duì)數(shù)律層；外層，包括尾跡律層和粘性外層。定義：
由于 v具有速度的量綱，故稱為壁面切應(yīng)力速度，它是湍流中的一個(gè)重要特征速度，可以用于各層的劃分。
粘性底層：所在厚度約為
，粘性切應(yīng)力起主要作用，湍流附加切應(yīng)力可以忽略，流動(dòng)接近層流狀態(tài)，層內(nèi)有微小漩渦及湍流猝發(fā)起源的現(xiàn)象。
展開(kāi) 讓邊界層的求解飛起來(lái)吧
那么，相應(yīng)的邊界層也會(huì)呈現(xiàn)兩種完全不同的狀態(tài)，借用NASA的官圖，不同于層流邊界層的一目了然，湍流邊界層內(nèi)部是復(fù)雜的
瞬態(tài)流動(dòng)，其速度分布的影響因素除了粘性力外，還有速度脈動(dòng)帶來(lái)的雷諾應(yīng)力。我們?cè)趯?shí)際工作中碰到的絕大部分工程問(wèn)題都是湍流，也是CFD軟件的主攻方向。如果不激活軟件中的轉(zhuǎn)捩模型，默認(rèn)計(jì)算的都是全湍流——而大部分工程問(wèn)題也是可以忽略轉(zhuǎn)捩的影響。所以我們本節(jié)討論的內(nèi)容限定為湍流邊界層。
湍流邊界層的直觀認(rèn)識(shí)
盡管湍流及其邊界層內(nèi)的速度呈現(xiàn)明顯的脈動(dòng)特性，但是如果用平均速度的觀點(diǎn)來(lái)看湍流邊界層的話，大致符合下圖所示的速度分布。湍流邊界層內(nèi)的速度分布極其復(fù)雜，可以按照受壁面影響的程度為內(nèi)層和外層。
內(nèi)層又包含線性底層、過(guò)渡層和對(duì)數(shù)層（因?yàn)檫@里的速度分布滿足對(duì)數(shù)率），其中
線性底層+過(guò)渡層又合稱為粘性底層，這部分區(qū)域的粘性力影響很大，尤其是線性底層的流動(dòng)基本是層流。而湍流邊界層的外層，主要受主流區(qū)的影響。由于流動(dòng)的非定常性，外層和內(nèi)層之間沒(méi)有固定的界限，所以對(duì)數(shù)層也稱交疊層，同時(shí)屬于邊界層的內(nèi)層和外層。
另外上圖給出了上述各層對(duì)應(yīng)的Y+的值（為了兌現(xiàn)本文不出現(xiàn)公式的承諾，這兒我就假裝大家都知道Y+和U+的概念啦）。其中有幾個(gè)非常重要的數(shù)值，大家可以記住，通常情況下，線性底層位于Y+小于5的區(qū)域，而對(duì)數(shù)層則大致位于Y+為30到500之間的區(qū)域。
展開(kāi) 
CFD學(xué)習(xí)：無(wú)粘流中的邊界層方程
作者Cadence CFD 解決方案
關(guān)鍵要點(diǎn)
無(wú)粘流具有零粘性力，因此形成的邊界層很薄，邊界附近和邊界外的壓力相同。
歐拉方程可以用作無(wú)粘流中的邊界層方程，只要指定了所有邊界條件（例如無(wú)滑移條件）。
無(wú)粘性流動(dòng)的歐拉方程有助于預(yù)測(cè)流動(dòng)行為和湍流的發(fā)生，這有利于進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)優(yōu)化。
機(jī)翼周?chē)臒o(wú)粘性流體流動(dòng)
粘度是影響流體行為和邊界層形成的關(guān)鍵流體特性。粘度導(dǎo)致流動(dòng)流體的速度在與固體表面接觸并受到摩擦力時(shí)減慢。速度從自由流下降到表面附近的零，形成薄層，稱為邊界層。
但是當(dāng)流體沒(méi)有任何粘性時(shí)會(huì)發(fā)生什么？在無(wú)粘流中，沒(méi)有粘性意味著形成的邊界層很薄，可以認(rèn)為不存在，即表面附近和表面以外的壓力相同。但是固體表面仍然影響流動(dòng)。在本文中，我們將研究無(wú)粘流中的邊界層方程，以探索邊界條件如何影響流體行為以及 CFD 如何幫助分析這種行為。
無(wú)粘流和邊界條件
無(wú)粘流是指粘性力可以忽略不計(jì)的流體流動(dòng)類(lèi)型，即流體與接觸表面之間的摩擦力為零。因此，在這種流動(dòng)中沒(méi)有剪應(yīng)力，在分析過(guò)程中只能考慮法向應(yīng)力。此類(lèi)流動(dòng)模型可用于流體應(yīng)用中流動(dòng)行為的理論分析，包括空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、天氣模式預(yù)測(cè)或流體動(dòng)力學(xué)分析。
由于缺乏粘性，無(wú)粘性流動(dòng)的邊界層方程不適用。在這種情況下，只要適當(dāng)指定邊界條件，就可以使用歐拉方程分析流場(chǎng)。歐拉方程基于無(wú)粘性流動(dòng)的無(wú)滑移邊界條件，這表明邊界處的流體速度為零。
一般的邊界層方程可以用Navier-Stokes 方程表示：
此處，ν 是運(yùn)動(dòng)粘度，ρ 是流體密度，P 是流體的壓力。u 1和u 2分別 是沿方向x 1和x 2的速度。
對(duì)于無(wú)粘流，上式可以簡(jiǎn)化為：
U 是流體的速度。
上述歐拉方程有助于理解非粘性流動(dòng)時(shí)邊界附近的速度和壓力分布?？拷砻娴乃俣群艿?，并在上游不斷增加，直到達(dá)到自由流速度。
展開(kāi) 干貨 | 湍流邊界層中y+選取
Y+是一個(gè)無(wú)量綱的值，其定義如下所示：其中y是第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與壁面的距離，uτ是摩擦速度，ν是流體粘度。
那么Y+這個(gè)值到底有什么用呢？能夠表示什么含義呢？為了解釋這些問(wèn)題，就得從流體的流動(dòng)特性來(lái)說(shuō)起了。
流體由于粘度的存在，導(dǎo)致了流動(dòng)存在邊界層。而邊界層根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)不同，也分為了粘性底層、過(guò)渡層和對(duì)數(shù)層（完全湍流層）三層（見(jiàn)下圖）。而邊界層一般都非常的薄，常常是毫米到微米級(jí)別的。因此如果采用劃分網(wǎng)格的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)值求解的話，那么就會(huì)大大的增加計(jì)算網(wǎng)格的數(shù)量，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。
為了在一定的計(jì)算精度條件下加快計(jì)算速度，相關(guān)的專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在粘性底層和過(guò)渡層內(nèi)主要是粘性力起主導(dǎo)作用，而慣性力可以幾乎忽略。故而在高雷諾數(shù)湍流流動(dòng)的情況下，可以將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)畫(huà)到對(duì)數(shù)層中，即完全湍流的區(qū)域，而過(guò)渡層和粘性底層則不需要網(wǎng)格劃分，這一部分的物理量分布是通過(guò)數(shù)學(xué)公式——壁面函數(shù)wall function來(lái)計(jì)算的。
在這里就引入了處理近壁面區(qū)域的兩種方法：一種是壁面函數(shù)法，另一種是求解粘性底層法。而這兩種方法可根據(jù)仿真工況的需求大致來(lái)進(jìn)行區(qū)分，具體的網(wǎng)格尺度則需要通過(guò)Y+來(lái)進(jìn)行區(qū)分了。
壁面函數(shù)法——wall function，如上述所說(shuō)，是通過(guò)將第一層網(wǎng)格放置到對(duì)數(shù)層中，而粘性底層和過(guò)渡層則不需要畫(huà)網(wǎng)格，這部分區(qū)域是通過(guò)數(shù)學(xué)公式來(lái)進(jìn)行推導(dǎo)的，適用于高雷諾數(shù)的湍流，通常Y+取值為30-300。
若Y+小于30，則相當(dāng)于造成了計(jì)算浪費(fèi)，而且有可能造成非物理解；求解粘性底層法——相當(dāng)于直接在粘性底層的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，完全采用數(shù)值求解的方法來(lái)得到邊界層的流動(dòng)效果。
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Hypermesh聯(lián)合Fluent仿真：教你創(chuàng)建CFD邊界層網(wǎng)格
導(dǎo)言：本教程適合采用Hypermesh作為CFD前處理軟件的新手，主要解決做流體仿真分析時(shí)，邊界層網(wǎng)格如何創(chuàng)建，以及內(nèi)部的四面體網(wǎng)格如何創(chuàng)建的問(wèn)題，不包含求解器分析部分。
目錄：數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)清理、網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格導(dǎo)出
1、 數(shù)據(jù)導(dǎo)入
在數(shù)據(jù)導(dǎo)入hypermesh之前確保一些大的清理步驟，比如塊的創(chuàng)建、切割、面的縫合等已經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)的三維數(shù)模軟件處理（Hypermesh做這些操作不是很方便）。打開(kāi)Hypermesh，User Profiles先選擇默認(rèn)，按圖1的步驟點(diǎn)擊導(dǎo)入數(shù)據(jù)。
圖1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入
[教程]hypermesh CFD邊界層網(wǎng)格劃分CFD-1200: CFD Meshing with
Generate the Boundary Layer and Tetrahedral Core Mesh
點(diǎn)Mesh生成邊界層體網(wǎng)格。
合理控制修改層數(shù)、第一層厚度、增長(zhǎng)率等參數(shù)，使得邊界層不超出壁面
6. Mask Elements to Inspect the Boundary Layers’ Thickness on Thinner Areas
7. Arrange Volume and Surface Components Before Exporting the Mesh for CFD Solvers
