流體流動的案例
CFD學習：流體中的蠕動流動示例與分析
要點
蠕動流動描述了慣性可忽略不計的流體流動。
雷諾數為零時的蠕動流就是我們所說的斯托克斯流。
與一般流體流動相比，由于不存在非線性或平流項，蠕動流更容易用數學方法求解。
高粘度流體（例如油漆、重油和食品加工材料）的流動是蠕動流動的示例
您還記得在小學科學課上學過的爬行物和攀爬植物嗎？我們根據植物是沿著土壤水平還是垂直生長，將植物分類為爬行植物或攀緣植物。爬行運動存在于生物和非生物中，“爬行者”的主要特征是漸進的運動。
只要滿足某些條件，我們就可以將流體的逐漸流動與蠕動運動聯系起來。蠕動流的一個重要例子是重油、蜂蜜等的運動。這些流體由于粘度而難以流動。在許多應用中，我們都使用顯示蠕動流動的流體。讓我們通過幾個例子來探討一下這個流程。
流體中的蠕動流動
蠕動流動描述了慣性可忽略不計的流體流動。施加在流體上的粘性力和壓力大于慣性力。高粘度的流體難以流動，并且通常以蠕動運動移動。盡管這些流體的慣性可以忽略不計，但它們主要由內摩擦決定。緩慢流動的流體是非湍流的，并且不會產生旋轉渦流。蠕動流體會繞過障礙物蠕動，而不是變成湍流。
蠕動流也稱為斯托克斯流。在流體的蠕動運動中，粘性力比平流慣性力占主導地位。在流體中，蠕動流是流線彼此平行的層流類型。蠕動流的速度非常低。
雷諾數和蠕動流
雷諾數是一個無量綱數，給出了平流慣性力和粘性力之間的關系。雷諾數與流體的密度和流體的速度成正比，與流體的動態粘度成反比。雷諾數的值區分流體中的層流類型和湍流類型。對于低于 2000 的雷諾數，流動類型為層流。雷諾數越高，流動越混亂。當雷諾數大于2000時，流動類型為湍流。
對于蠕動流，雷諾數小于 1 (Re<<1)。
展開 多分支管流體流動分析APP
多分支管流體流動分析APP基于Simdroid，對多分支管內部的流體流動過程進行模擬，用戶可以對主管道和兩個分支管道的幾何參數、速度條件和壓力條件進行修改，得到管內速度云圖、壓力云圖以及主管道中間橫截面的速度云圖。
隨著科技的不斷進步和發展，移動設備已經逐漸成為我們日常生活中不可或缺的一部分。在這個信息化的時代，APP已經成為人們獲取信息和進行交流的主要方式之一。本文將介紹一款基于Simdroid的多分支管流體流動分析APP，它可以對多分支管內部的流體流動過程進行模擬，用戶可以對管道的幾何參數、速度條件和壓力條件進行修改，從而得到管內速度云圖、壓力云圖以及主管道中間橫截面的速度云圖。
這款APP的研發背景是為了滿足工程技術人員以及相關領域的專業人士對多分支管流體流動過程進行研究和分析的需求。通過對多分支管的流動過程進行模擬，可以幫助工程技術人員更好地理解管道的流動規律，從而為工程設計和施工提供有力的支持。
該APP的使用非常簡單，只需要在手機上下載安裝，然后按照提示進行操作即可。用戶可以根據實際情況對主管道和兩個分支管道的幾何參數、速度條件和壓力條件進行修改，從而得到所需的流動分析結果。在得到結果后，用戶可以通過查看速度云圖、壓力云圖以及主管道中間橫截面的速度云圖來了解管道內流體的流動情況。這些分析結果可以幫助用戶更好地理解管道內流體的流動規律，為工程設計和施工提供有力的支持。
總之，這款基于Simdroid的多分支管流體流動分析APP為工程技術人員以及相關領域的專業人士提供了一種方便、快捷、準確的分析工具，可以幫助他們更好地理解管道內流體的流動規律，為工程設計和施工提供有力的支持。在線計算本APP：多分支管流體流動分析
展開 一期一會 | 什么是流體流動？
本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。
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）。
展開 在流體流動建模中使用湍流運動粘度計算渦流作用
作者：Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
由于渦流和漩渦而引起的流體的劇烈運動稱為湍流。
湍流運動粘度沒有物理存在，被認為是流動特性，而不是流體。
流體的有效運動粘度可以表示為無湍流作用的運動粘度或湍流運動粘度之和。
隨著流體流速的增加，層流轉變為湍流
在流體系統中，流體流動可以是層流或湍流。流態中的湍流是由流體層的速度差異引起的。湍流中作用于流動的流動阻力較大，稱為雷諾應力。湍流運動粘度是湍流中重要的物理量。湍流運動粘度，也稱為渦流粘度，取決于流動狀態。在本文中，我們將探討湍流和湍流運動粘度。
流體流動
流體流動有兩種類型：層流或湍流。
層流
均勻、均勻且有序的流體流動被認為是層流。層流本質上是確定性的。層流的未來行為可以根據較早時間的流動特性知識來預先確定。即使在流動中存在不規則和擾動，平均層流運動是在一個方向上的。
粘性流體的均勻層流可以建模為包含不同且穩定的層的流體流。每一層都以相同的方向在另一層之上移動。頂層以最高速度移動，粘附在邊界上的層以最低速度流動。內部摩擦是速度差異的原因。粘度用作流體內部摩擦的量度。然而，隨著流體流速的增加，流態變得湍流。
湍流
隨著流體流速的增加，層流轉變為湍流。流體流速的增加導致流體層混合。隨著速度的增加，更多的流體層混合在一起并破壞了平穩的流動。流動變得不均勻，并受到渦流和漩渦的干擾。由于這些渦流和漩渦而引起的流體劇烈運動稱為湍流。湍流的特征在于不同方向上的顯著速度。速度方向不同于流動的總體方向。
粘度
粘度是在湍流中討論的一個重要量。高粘度流體抵抗流動中的湍流或從層流緩慢過渡到湍流。
展開 
ALGOR的CFD模塊：流體流動分析更加容易
如果模型有問題，如流體流動方向設置錯誤，或者流體流速不正確，工程師只有在分析結束之后才能看到，然后確定錯誤原因并進行修正。現在用戶可以實時觀測分析結果，也可以在任何時候停止分析改變參數，然后重新啟動分析過程。這大大減少了設計和分析過程的時間并使得CFD分析變得更為方便，有效。
當評估流體分析結果時，我可以得到哪些附加結果?
專業的流體流動分析結果數據包括粒子軌跡，流線和等值面顯示，這使得流體流動結果顯示更為清晰和醒目。例如，工程師可以追蹤一個粒子從流體流動開始一直到結束。粒子沿著流線的軌跡將會提供一些詳細的關于整個流體系統和流動方式的信息。
改進的流體流動結果評估包含顯示流線（右下圖），以及粒子軌跡（左上圖）的能力，并使得整個流體流動結果的顯示更為清晰醒目。
展開 CFD基礎課程系列 (3)：第3章第1部分 流體流動基礎知識
在這個《CFD基礎課程系列》里，針對剛剛開始，或者將要開始進行熱流體仿真的工程師，我們盡量通過通俗易懂的語言和直觀的現象來闡述CFD的概念。在第2章，我們介紹了熱流體仿真中常用的流體特性以及它們的物理意義。在第3章，我們將討論流體流動的表現方法和流動的一些性質，由于內容比較多，將分3次發布。
第3章 流體流動的基礎
在這章節我們介紹流體流動和流動的性質。所有的單位都以SI 單位制為準。
3.1 流體流動的表現方法
流動就是流體的移動。許多場合流動的形態并不是肉眼能夠直接看到的。因此，需要一些方法來反映和體現流體流動。在這一節，我們介紹一些具有代表性的表現方法。
3.1.1 速度、速率及流量
速度和速率都是單位時間流體移動的距離，其單位是 [m/s] 。“速度”，或者“流速”指的是單位時間流體的移動距離和前進方向。這個同時具有大小和方向的量稱為矢量。而“速率”，或者“流速的大小”只反映了移動距離。只有大小的量稱為標量。比如，“風速 5 m/s” 是一個標量，而“北風 5 m/s”包含了方向，是一個矢量。
圖3.1所示5 m/s 的西風和東風。考慮速率時，由于速度的大小都是5 m/s，兩者是一致的。但是，因為速度包含了方向，由于風向的不同，兩者的速度是不同的。
展開 『下載』帕坦卡－傳熱與流體流動的數值計算
最經典的計算流體力學入門書籍
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帕坦卡傳熱與流體流動的.part3.rar
COMSOL隨機參數化表面流體流動模擬
基于粗糙度表面的裂隙流研究對于理解地下水的流動、污染物傳輸以及與之相關的地質災害（如滑坡）等方面具有重要意義。本研究通過蒙特卡洛方法生成隨機表面形貌，并利用COMSOL Multiphysics對隨機參數化表面的微尺度流體流動進行模擬。
參數化表面模型采用CAD隨機粗糙度表面插件建立，插件可設置不同的表面起伏形態，以匹配相應的地形或研究不同表面參數下的流動特性。
在CAD內將模型截取表面部分，以sat格式導入到COMSOL內，完成三維隨機參數化表面幾何模型的建立。
在COMSOL內對模型劃分網格。
對模型設置邊界條件，使流體從模型左側流入，右側流出，計算并研究裂隙流體的流動特性。
展開 ABAQUS模擬多孔介質流體流動之地層排水固結
ABAQUS有限元軟件 soil模塊可模擬計算多孔介質中流體流動這種滲流應力耦合問題，其是通過將介質視為多相材料并采用有效應力原理來描述其力學行為來對多孔介質進行建模。提供的多孔介質模型考慮介質中兩種流體的存在。一種是“潤濕液體”，它被認為是相對（但不是完全）不可壓縮的。另一種是相對可壓縮的氣體。當介質部分飽和時，兩種流體都存在于一個點上；當完全飽和時，完全充滿潤濕液體。單元體積由一定體積的固體物質、一定量的孔隙和一定體積的潤濕液體構成，如果被壓差驅動則可以自由地通過介質。ABAQUS軟件就是通過將有限元網格附著到固相來模擬多孔介質，流體可以流過這個網格。其中模型的力學機理是基于有效應力原理，不再贅述，其中流體流動默認為為達西滲流。
孔隙流體的滲流行為遵循Darcy定律或Forchheimer定律，Darcy定律一般適用于低滲流流速，是線性關系而Forchheimer定律是非線性定律，主要模擬更高流動速度的情況，Darcy定律可以認為是Forchheimer定律的特例。Darcy定律用于表述為層流條件下通過多孔介質的滲流速度與水力梯度滿足線性關系，在一維條件下有：
為平均滲流速度，Q為流量，A為過水面積，k為滲透系數，H為測壓水頭，z是某指定參考面之上的高度。
模擬示例之地層排水固結
（1）幾何模型：
圖1
（2）模擬材料：
*Material, name=ROCK
*Density
2500,
*Permeability, specific=10000,DEPENDENCIES=1
XXXXXXXXX
*Depvar
3,
*Elastic
2.3e+09, 0.2
*User Defined Field
*Mohr Coulomb
27.,0.
展開 巖石裂隙中的流體流動仿真
本案例基于COMSOL軟件中的PDE模塊，采用雷諾方程對巖石裂隙中的流體流動過程進行了仿真，模擬結果如下：
感興趣的朋友可加我交流模型。
Tosca fluid--流體流動的設計和優化
Tosca fluid是目前唯一一款模塊化的針對管道流動問題的無參管道流體優化系統，它采用行業標準的CFD拓撲優化求解器，其優化過程設置簡單、不需要參數。基于初始的設計空間，由Tosca fluid自動優化流道的設計，采用先進的優化技術幫助工程師開發新的產品，采用單一的CFD求解器運行得到諸如顯著降低壓降和增強流動均勻性的優化結構。
Tosca fluid優勢
與先進的CFD求解器無縫集成；
通過自動布局和廣泛集成過程提高效率；
通過在產品開發的早期階段應用優化縮短開發時間；
獨特的和經濟的新型流道開發方法；
Tosca fluid-流體流動的設計和優化.pdf
展開 
管道內非牛頓流體流動
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例介紹了管道內非牛頓流體流動過程。
計算域：管道長0.1m，直徑2.5mm
物質屬性：密度為1000kg/m3，粘度采用Power law，其中參數k=0，n=0.4
邊界條件：入口平均速度為2m/s
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為16000
計算設置
本次計算為穩態軸對稱流動。
物質屬性
計算物質的密度和粘性
邊界條件
設置入口流速，流速值有profile文件讀入
profile文件下載地址：https://pan.baidu.com/s/1ibZQTgwKEV-iOhqeMBAfEg 密碼: 88qz
設置出口為壓力出口邊界條件
壁面皆為無滑移邊界條件
計算結果
計算域速度云圖
計算域壓力云圖
計算值與實驗值對比
管道壓降數值對比圖表
參考文獻
W.F. Hughes and J.A. Brighton. Schaum's Outline of Theory and Problems of Fluid Dynamics. McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, NY. 1991.
展開 流向井內的流體流動: 有限半徑井
本例是模型 “流向井內的流體流動”
， 系列之一，這一算例描述了在隔絕層之間，流向有限半徑井的瞬態流動。接著，將這一計算結果與著名的點井解Theis井做了比較(Theis, Ref.
2). 這一算例與Theis問題的不同之處在于，Theis解析解將井簡化為一個點源，因此在井壁以內與實際物理情況不同。COMSOL
Multiphysics 的分析使用拉伸耦合變量將井邊緣的計算結果擴展到了井的內部，從而在井的內部得到了與物理情況一致的解。
除了井的幾何構型之外，Theis問題還采用了其他假設。儲液層的水平半徑是無限的，上下被不可穿透的隔絕層約束。井完全穿透儲液層，汲取的壓力在整個井的高度上是一致的，因此整個流動都是水平的。忽略井的儲水。儲液層的汲取是瞬時發生的。在汲取之前，流場是靜止的。流動是水平的，不隨深度發生變化，井的水頭相對于對稱軸是等位的。
本例做了軸對稱的簡化，可以對半無限的儲液層建模，即長10km的直線。1km以內的部分是我們感興趣的區域。井半徑是0.1m。飽和水力傳導率K, 為 10-4 m/s, 厚度, b, 為 50 m.
壓強存儲系數, S (m·s2/kg), 等于 Ss/ρf g. Ss是存儲水頭，
10-5 m-1,
ρf 表示流體密度 (kg/m3), g 為重力加速度 (m/s2). 泵流量, W, 為常數 0.05 m3/s
. 初始壓強, p0, 是 9.82·105 Pa. 感興趣的時間是四個月.
展開 Fluent在混合彎頭中的流體流動和傳熱分析
在混合彎頭中的流體流動和傳熱分析
本例模型請關注公眾號，CAE備忘錄，回復elbow可獲得。
問題描述：
有一溫度為293.15K的流體從管道直徑為100mm入口進入，并與從管道直徑為25mm入口進入溫度為313.15K的流體進行混合，預測兩股流體混合后的流動情況和溫度分布情況。
創建Fluent 分析系統：
打開workbench17.2，將Fluid Flow(Fluent)單擊左鍵拖入空白處（也可以雙擊），選擇Save，將文件保存到制定目錄下（保持良好習慣）。這時候在Files 窗口中就會出現一些文件。之后你進行其他操作產生的文件，經過保存都會出現在這個窗口。
劃分網格：
幾何模型自行建模，如果用其他三維軟件，可以導入X_t或者stp格式文件。導入幾何模型之后，雙擊A3欄的Mesh，進入網格劃分界面。
首先，為每個面進行命名，選擇面并右鍵選擇Create Named selection，對應名稱為，進口命名為inlet_large和inlet_small，出口命名為pressure_outlet，壁面命名為wall，對稱面命名為Symmetry，這樣命名可以方便在Fluent中設置邊界條件。
命名完成之后，在mesh上右鍵選擇size，選擇整個體，在Element Size處填入0.006m，如果要設置膨脹層，則單擊Mesh，在下方Details of Mesh 中選擇inflation設置膨脹層各個參數（這里也可以不用設置），將Use Automatic Inflation 改為 Program Controlled。最后在Mesh上右鍵選擇generate mesh，這時網格已經劃分完畢，將網格劃分界面關閉，在Project schematic中的mesh右鍵選擇update.
展開 如何正確模擬不同類型的流體流動？
許多工程應用問題都涉及流體流動，譬如取代風洞實驗的經典 CFD ，電子設備冷卻，以及化工領域中由流體輸送反應物等，都必須考慮流動問題。COMSOL Multiphysics 提供了專用的接口可以模擬各種流動類型。COMSOL Multiphysics 提供了專用的接口可以模擬各種流動類型。那么，什么時候應該使用層流或湍流接口呢？
“千禧年大獎難題”之一：理解流動的本質
流動本身非常復雜，求解控制方程——納維-斯托克斯方程在數值上具有一定的挑戰性。
據報道，英國應用數學家 Horace Lamb 曾經說過：“我現在是個老人了，當我死后上了天堂，有兩件事我希望能得到啟發。一個是量子電動力學，另一個是流體的湍流運動。而對于前者，我真的相當樂觀。”
也許他很幸運，在天堂也得到了后一個問題的答案，但在地球上，這仍是一個克雷數學研究所的千禧年大獎難題。如果您能證明納維-斯托克斯方程在三個維度上有解并且該解沒有奇點，就可以獲得 100 萬美元的獎勵。這個證明將幫助我們理解湍流的本質，這仍然是 CFD 的最大挑戰。
當然，大自然總是有答案的。在天空中的云層、大海中的波浪和鍋中的沸水中我們都可以找到湍流現象。但是，我們還是希望為我們的應用找到一個數值解從而預測和優化這些現象。COMSOL Multiphysics 軟件包含許多接口，可以求解從納維-斯托克斯方程導出的方程，并且適用于不同的流動情況。
在這篇文章中，我們將說明 層流 和湍流 接口適用于描述的具有不同特性的流動類型。
流動的表征
在選擇了維度之后，模擬流動首先要考慮的是：是否需要考慮溫度變化。這決定了您是選擇 非等溫流動 接口求解納維-斯托克斯方程和傳熱方程，還是可以忽略溫度變化而只求解納維-斯托克斯方程。這聽起來很容易。但要決定現在是否需要選擇一個湍流接口，或者層流方法是否足夠并不容易。
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