層流的案例
CFD學習：層流邊界層
作者Cadence CFD 解決方案
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 層流邊界層的特征
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。
展開 層流機翼設計技術現狀與發展
這一設計思想使得新一代層流翼型可以具有較高的前緣負壓值，進而可以有較大的前緣半徑，這有利于改善翼型的高升力特性和跨聲速特性。
伴隨著設計思想的進步，層流翼型設計經歷了由低速向高速的發展，特別是跨聲速層流翼型的誕生，將軍民用大型運輸類飛機的層流機翼技術推向了新的高潮。與早期層流翼型不同，現代可用于高速飛行的層流翼型大致分為兩大類：第一類兼顧低速、高度時的層流特性，在設計條件下無激波或只有弱激波，壓力分布類似于超臨界翼型，但前緣半徑更小，從前緣到轉捩點具有較大的表面斜率，轉捩位置主要靠表面斜率設計控制；第二類能夠保證在設計條件下無激波且保持大范圍的層流，但低速時不要求層流特征，外形更接近于超臨界翼型，亞聲速時前緣負壓使得轉捩在前緣發生，而超臨界飛行時，允許存在弱激波以抬高翼型后部的負壓，從而控制從前緣到激波位置的壓力梯度。
高速層流翼型的設計工作開始于20世紀80年代。Khalid等設計了可用于超過107雷諾數的不同厚度的高速層流翼型，同期西北工業大學將超臨界翼型和層流翼型的設計思想相結合，設計了NPU系列翼型并開展了風洞試驗研究。隨后，具備高升力特性的層流翼型和層流機翼開始發展起來，翼型和機翼的設計方法也不斷進步和創新，為跨聲速下層流機翼技術的發展和成熟奠定了基礎。Zhang等采用有利壓力梯度約束的方法開展了層流翼型的優化設計工作，獲得了滿意的結果；HAN等提出了高速層流翼型的代理模型優化方法，所設計的層流機翼由于激波強度的減弱和層流區域的擴大使得阻力減小了12.1個阻力單位；陳永彬等通過優化激波控制鼓包的位置和外形改善了層流翼型的性能；邢宇等采用代理模型方法優化層流翼型的層流性能，同時基于梯度算法優化層流翼型升阻比，最終獲得了具有55.5%層流的高升阻比層流翼型。關于高速飛機層流翼型及機翼設計的研究成果進一步證明了層流機翼技術具有廣闊的發展和應用前景。
展開 流體力學核心概念：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。
展開 
一期一會 | 什么是層流？
層流，又稱為流線型流動，是一種流動狀態，其中流體中的粒子沿著光滑、相互平行的層運動。在層流中，相鄰層之間很少發生混合，并且即使出現波動，都是非混亂的。當流體流動中的粘性力大于內部動力時，就會出現層流。湍流則不同，在湍流中，流體微團會發生不規則和混亂的運動，如形成的漩渦和渦流。層流最常見于流速相對較低的粘性流體。
工程師之所以需要關注層流，是因為無混合和相對穩定的流體運動，會影響流體周圍固體物體上的載荷、流體中發生的混合以及傳熱。有時，工程師會需要使流動保持層流狀態，例如在手術室中，需要層流氣流將污染物從患者身上帶走。但另一方面，有的設計也可能會需要利用湍流，例如在高爾夫球應用中，層流反而會增加阻力。
如何計算和表征層流？
由于層流具有流線型、分層的特點，工程師使用方程來計算流體速度、速度波動以及由湍流引起的壓力波動，而這種表征始于一個被稱為雷諾數的無量綱量。然后，其他方程可捕獲有助于設計或測量層流的其他行為。
預測層流：雷諾數
英國研究員Osborne Reynolds于1883年發表了一篇論文，描述了簡單管道中水流從層流到湍流的過渡過程。他的觀察結果表明，內部力與粘性力之間的比值可以預測湍流發生的可能性。這一無量綱值比值，就被稱為雷諾數（Reynolds number）。
展開 使用層流泊肅葉定律確定流速
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
層流是無限小的平行層流動而不描述相鄰層的流動狀態。
在層流中，速度分布在流動的橫截面上呈拋物線形狀。
泊肅葉層流定律指出，流速與管道兩端之間的壓差與其半徑的四次方成正比。
螞蟻釋放的信息素呈層流狀態，使螞蟻形成行軍隊伍
你有沒有想過為什么螞蟻總是排成一行？螞蟻釋放一種叫做信息素的化學物質。后繼的螞蟻聞到這些信息素的香味，并沿著前輩走過的路走。螞蟻釋放的信息素呈層流狀態，導致螞蟻形成行軍隊伍。
從信息素的釋放到大型流體系統，層流狀態會產生圖案化的流動特性。有幾種流體運動具有層流的應用。在處理流線型流體流動系統時，了解泊肅葉層流定律至關重要，因為它控制著流速。
流體流動機制
流體的流態對于任何流體系統的設計都很重要。需要考慮與流量相關的各種因素，以維持系統中的某些流量特性。例如，流體摩擦是要考慮的關鍵參數，用于確定維持特定流動模式所需的能量。
流體流動狀態可大致分為兩種類型：湍流和層流。
湍流 湍流
處理流體粒子的不規則運動。沒有與湍流相關的明確頻率。湍流缺乏明確的層次和可觀察的模式。
層流
層流的特征在于在順序和模式方面與湍流相反的特征。本文中感興趣的流體流態是層流。
層流
層流是無限小的平行層流動而不描述相鄰層的流動狀態。各層之間沒有混合，它們以不同的速度一層層流過另一層。在層流中，流體粒子以流線形式流動，這可以定義為以可觀察的路徑和確定的模式流動。
讓我們看一下一些層流流體流動參數。
粘度
在層流中，粘性是重要的部分，流動也稱為粘性流。在水的情況下，它是一種無粘性流體，除了在邊界層外，對粘度沒有太大影響。
展開 CFD基礎課程系列(3)：第3章第3部分 層流、湍流和雷諾數
在這個系列里我們介紹層流和湍流，以及雷諾數的概念。
3.2.4 層流和湍流
流體的流動有層流和湍流兩種狀態。層流是指流體規則的流動，流體變得混亂而不一致的流動叫湍流。
舉一個日常生活中常見的水龍頭放水的例子。水管的龍頭少許打開時,如 圖3.15 (a) 所示,水流直落而下。隨著龍頭越開越大，水流就像圖2.15 (b) 那樣變得雜亂。前者的流動與層流相當，后者的流動與湍流相當。
（a）層流 （b）湍流
圖3.15 水龍頭里流出的水
層流和湍流是在1883年英國的科學家奧斯本·雷諾（Osborne Reynolds, 1842-1912）通過實驗來明確區分的。在這個被稱為雷諾實驗的實驗里，如圖3.16所示，在有水流動的圓管中注入墨水以實現流動的可視化。結果發現，流速小的時候，墨水像圖 (a) 那樣清晰地沿直線向下游流動，即為層流；隨著流速增大，墨水如圖 (b) 那樣，途中開始變得雜亂無序并向圓管的整體擴散，成為湍流。
圖3.16 雷諾實驗（層流和湍流的區別）
科學家雷諾整理實驗結果發現可以用雷諾數這個無量綱的數來區分流體流動是層流還是湍流。圓管的內徑為L，圓管的截面平均流速為U，流體的密度和粘性系數分別為ρ 和 μ ，雷諾數Re 由以下公式來定義。
雷諾數的分母表現的是粘性力,分子表現的是慣性力，雷諾數本身代表了兩者的影響力。對于幾何學上相似的兩個流體流動來說，兩者的雷諾數相同的話，粘性力和慣性力的比例是一樣的。因此這兩個流動的本質是相同的。這被稱為雷諾相似準則。
比如，圖3.17所示，以 50 km/h 行進的轎車周圍的空氣流動為例。
展開 fluent驗證案例002：均勻加熱管道內的層流流動
1 問題描述
本例模擬了水銀在圓管中的層流流動，并對管壁施加了均勻的熱通量。在入口處指定了完全發展的層流速度。將所得到的壓降和出口溫度與層流解析解進行比較。由于對稱，我們只建二維模型的一半。
1.1 幾何模型
管道長度為0.1m，半徑為0.0025m。
1.2 材料參數
密度：13529kg/m3；比熱容：139.3J/kg-k；粘度：0.001523kg/m-s；導熱系數：8.54w/m-k。
1.3 邊界條件
進口速度：充分發展的層流； 進口溫度：300k； 壁面熱通量：5000w/m2。
2 解析解
解析解可參考：
? F.M. White. Fluid Mechanics . 3rd Edition. McGraw-Hill Book Co., New York, NY. 1994.
”
注：可在公眾號回復“FM”獲取。
3 fluent求解
3.1 General設置
設置為軸對稱模型。
3.2 model設置
打開能量方程，選擇層流模型。
3.3 materials設置
材料設置如圖所示。
3.4 cell zone conditions設置
修改為流體區域。
3.5 boundary conditions設置
用表達式指定入口速度。
給壁面施加熱通量。
展開 圓柱繞流的層流振蕩
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例模擬了圓柱繞流的層流振蕩現象。
計算域：圓柱直徑2m
物質屬性：密度為1kg/m3，粘度為0.02kg/m-s
邊界條件：來流速度1m/s
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為3998
計算設置
本次計算為非穩態層流計算。
物質屬性
計算物質設置為空氣，設置密度等參數
湍流模型
選擇層流
邊界條件
（1）設置速度入口邊界條件
（2）出口邊界采用出流邊界條件
求解控制
（1）求解方法
（2）松弛因子
計算求解
時間步長設為0.01
計算結果
計算域云圖展示
速度云圖
計算值與實驗值對比
這里對斯特勞哈爾數進行對比，在FLUENT中通過求得圓柱后某點速度隨時間變化，進行傅里葉變化求得斯特勞哈爾數
參考文獻
F.M.White,Fluid Mechanics, 3rd Edition. McGraw-Hill Book Co., New York, NY. 1994
S.J. Kim, C.M. Lee, “Numerical Investigation of Cross-Flow Around a Circular Cylinder at a Low-Reynolds Number Flow Under an Electromagnetic Force”. KSME International Journal. Vol 16, pp. 363-375, 2002
展開 分享：梯形腔中的層流
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例介紹了由于梯形腔頂部和底部墻壁運動引起的層流模擬，腔體高為1m，頂部長1m，底部長2m。
計算域：高1m，頂部長1m，底部長2m
物質屬性：密度1kg/m3，粘度1kg/m-s
邊界條件：頂部和底部移動流速為400m/s，側壁面不動
網格劃分
采用三角形網格，網格數量為4016
計算設置
本次計算為穩態層流計算。
物質屬性
計算物質設置它的密度和粘性
邊界條件
設置上下兩個壁面的移動速度
設置求解方法和松弛因子
計算結果
計算域速度場云圖
計算值與實驗值對比
x=1位置處水平速度值對比圖表
注意：這里用到的是歸一化數據，fluent計算數據的y軸坐標水平速度值要除以墻壁移動速度400。
y=0.5位置處豎直速度值對比圖表
注意：這里用到的是歸一化數據，fluent計算數據的y軸坐標豎直速度值要除以墻壁移動速度400。
參考文獻
J.H. Darr, S.P. Vanka. “Separated Flow in a Driven Trapezoidal Cavity”. Phys. Fluids A, Vol. 3, pp. 385-392, 1991.
展開 [問題討論]層流與湍流的區別及其視頻描述
層流與湍流可以通過觀察平直玻璃管內水流的流動狀態來區分，可用以下兩種方法：
①在管道入口處引入細的墨水線；
②氫氣泡方法，管道內加鉑金絲電解水，產生示蹤氫氣泡。
層流：流速低時，沿流動方向，有一條長的細墨水線，貫穿全管，十分平穩。氫氣泡方陣形狀規矩，不相互摻混。
湍流：流速增大至一定值后，墨水線波動，突然破散，呈現出不穩定的隨機性質。
氫氣泡迅速破散，氫氣泡之間相互摻混，表明流體各層間有明顯動量交換。
視頻鏈接：http://v.youku.com/v_show/id_XMTI2MTgxMzEyNA==.html。
鄭重聲明：本文由不吃醋的貓發布，所有內容僅代表個人觀點。版權歸懶貓窩窩和不吃醋的貓共有，歡迎轉載。原文地址：http://www.lanmaowang.com/?p=36365。
展開 
三角腔中的層流流動
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例模擬了由三角腔頂壁運動引起的層流，側壁是靜止的。
計算域：h=4m，頂部寬帶為2m
物質屬性：物質密度為1 kg/m3，粘度為0.01kg/m-s
邊界條件：頂部壁面移動速度為2m/s
網格劃分
采用矩形和三角形混合網格，網格數量為4504
計算設置
本次計算為穩態計算。
物質屬性
計算物質設置密度等參數
湍流模型
選擇為層流
邊界條件
設置頂板移動速度
求解控制
（1）求解方法
（2）松弛因子
計算結果
計算域云圖展示
速度云圖
計算值與實驗值對比
歸一化x方向速度對比值
參考文獻
R. Jyotsna, S.P. Vanka. “Multigrid Calculation of Steady, Viscous Flow in a Triangular Cavity”. J. Comp. Phys., Vol 122, pp. 107-117, 1995.
展開 鈍板層流分離流動
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例介紹了鈍板層流流動分離和再附著過程模擬，并對再附著長度進行了實驗驗證。基于板厚的雷諾數為227。
計算域：平板厚度90mm，長度1500mm
物質屬性：密度1kg/m3，粘度1.7894E-5kg/m-s
邊界條件：入口流速為0.045133m/s
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為31750，由于對稱，所以畫了一半的計算域
計算設置
本次計算為穩態層流計算。
物質屬性
計算物質設置為空氣，設置它的密度和粘性
邊界條件
設置入口流速
設置壓力出口
計算結果
計算域速度場云圖
計算值與實驗值對比
沿臺階下游壁面的X方向剪切應力（這里X坐標已除以板厚度）
從上圖可以看出，X方向剪切力重新回到0時，X坐標值為4.1866，則再附著長度為4.19。
參考文獻
J.C. Lane, R.I. Loehrke, “Leading Edge Separation from a Blunt Plate at Low
Reynolds Number”, Transactions of ASME, Vol. 102, pp. 494-496, 1980
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
展開 FLUENT精典案例#371-低雷諾數層流串列雙圓柱繞流仿真
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FLUENT精典案例#371-低雷諾數層流串列雙圓柱繞流仿真
01
問題介紹
如下圖所示的兩個圓柱尺寸為直徑D=0.04m間距5D，計算域為4mx2m。計算雷諾數200的層流非定常工況，監測圓柱上的升力、阻力和渦街。假設流體介質為空氣，密度為1，粘度 為0.0002，來流速度為1。
利用層流兩相流、動網格模擬納秒激光的燒蝕作用 ￥4799
現在市面上有很多層流兩相流、水平集的激光燒蝕案例，但是幾乎沒有動網格的燒蝕案例，主要在于動網格的設置困難。
在COMSOL中，動網格由于不需要對空氣（氣體項）進行建模，所以相對應來說，相同的模型需要的計算資源較少，所以很多課題組，在模擬激光燒蝕時（需要很多計算資源）采用動網格而不采用水平集。
市面上賣的動網格設置幾乎不正確（就像水平集的二道販子一樣，我這里也有幾個）。
這里我有償提供一個動網格案例來幫助大家學習動網格。
模型主要采用 流體傳熱、層流和動網格模塊，很好的重復了 納秒 激光燒蝕材料的效果。
內置參考文獻和模型，加些實驗，發個二區SCI應該沒有問題。
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