不可壓縮流
關注創建者：寧博士CAE團隊 創建時間：2022-09-05
不可壓縮流的視頻教程
STARCCM+系列CFD課程03-不可壓縮流
課程安排： <01> 不可壓縮流知識點概述 <02> 穩態流：頂蓋驅動方腔流 <03> 穩態流：使用多種網格的渠流 <04> 穩態流：S 形彎管中的層流和湍流 <05> 穩態流：后臺階 <06> 各向異性流：旋風分離器 <07> 多孔阻力：各向同性介質
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不可壓縮流的實例教程
認識流體之壓縮與不可壓縮流、牛頓與非牛頓流、定常與非定常流
1、不可壓縮流和可壓縮流
壓縮性是流體的基本屬性。
任何流體都是可以壓縮的，只不過可壓縮的程度不同而已。
液體的壓縮性都很小，隨著壓強和溫度的變化，液體的密度僅有微小的變化，在大多數情況下，可以忽略壓縮性的影響，認為液體的密度是一個常數。
氣體的壓縮性都很大。從熱力學中可知，當溫度不變時，完全氣體的體積與壓強成反比，壓強增加一倍，體積減小為原來的一半；當壓強不變時，溫度升高1℃體積就比0℃時的體積膨脹1/273。所以，通常把氣體看成是可壓縮流體，即它的密度不能作為常數，而是隨壓強和溫度的變化而變化的。我們把密度隨溫度和壓強變化的流體稱為可壓縮流體。把液體看作是不可壓縮流體，氣體看作是可壓縮流體，都不是絕對的。在實際工程中，要不要考慮流體的壓縮性，要視具體情況而定。
2、牛頓流體與非牛頓流體
考慮流體的剪切應力和速度梯度之間的關系。如果流動過程中流體層間所產生的剪應力與法向速度梯度成正比，而與壓力無關，則這種流體為牛頓流體。
非牛頓流體廣是指不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，指的是其剪應力與剪切應變率之間不是線性關系的流體，粘性隨著剪切力或者剪切速率而變化而改變。非牛頓流體其實很常見，絕大多數生物流體都屬于現在所定義的非牛頓流體。比如人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。
太（白）粉溶液是典型的非牛頓流體，它的主要特征是：流體的粘度會因為受到的壓力或速度而變化，壓力越大速度越快，粘度會增加，甚至可以成為暫時性的固體。一盆太（白）粉的水溶液，如果你將手緩慢的插入水溶液中你的手會沒入其中，當你拿出來時手上會沾滿白色的太（白）粉溶液。
展開 1.LS-Dyna ICFD求解器介紹
不可壓縮流動求解器基于應用于流體力學的現有有限元技術。它與固體力學求解器完全耦合。FSI 耦合分析，允許通過顯式技術進行穩健的弱 FSI 耦合分析，或使用隱式進行強 FSI 耦合分析。除了能夠處理自由 表面流動之外，使用保守的水平集界面跟蹤技術,還可進行雙相流分析功能。還支持基本湍流模型。本求解器是 LS-DYNA 中第一個應用新的體網格劃分器，它只需將流體域邊界的高質量表面網格作為輸入，然后由 程序自動生成體網格。另外，在隨著不可壓縮流的時間推進期間，求解器將自適應地重新網格化輸入求解器 特點。網格劃分器的另一個重要特征是能夠創建邊界層網格。當在流體壁附近計算剪切應力時，這些各向異性邊界層網格是模型求解關鍵。
圖 1 ICFD 汽車外流場、水流沖擊大壩、圓柱擾流案列
2. LS-DYNA ICFD 基本功能
2.1自動體網格生成
ICFD 求解器使用自動體網格器劃分流體域。 這極大地簡化了前處理階段，而且，提供高質量的表面網 格。 對于 FSI 流-固耦合分析，求解器使用 ALE 方法進行網格移動。 在 FSI 模擬導致大位移的情況下，求解器可以自動重新網格化以保證可接受的網格質量。
圖 2 ICFD自動生成邊界層及體網格
2.2網格細化和自適應網格劃分工具
LS-Dyna為用戶提供了幾種工具用于細化局部體網格，以便更好地捕獲網格敏感現象，例如湍流渦流或邊界層分離和再附著。在幾何體設置期間，網格劃分器可以根據用戶指定曲面，生成體積內的局部網格尺寸。如果沒有使用內部網格來指定大小，則網格器將使用封閉體的表面大小進行線性插值。
展開 作者Cadence CFD 解決方案
要點
分析機翼上不可壓縮流動的重要性。
翼型流體流動分析方法。
用于不可壓縮流動分析的最佳 CFD 工具。
不可壓縮流與可壓縮流
在物理學中，有一個大多數人都會同意的力悖論：當不可阻擋的力遇到不可移動的物體時會發生什么？對于外行來說，任何尋求解決此問題的努力似乎都是浪費時間。另一方面，科學家或工程師可能會應用需要充分審查的科學方法，以便可以從數學上定義假設。如果可以設計一個模型，那么就可以得到一個解決方案。
研究看似不可能的情況通常很有用。例如，了解接近這些條件的系統的物理特性或量化參數以優化物理設備的設計。這方面的一個例子是機翼上不可壓縮流動的研究。空氣是可壓縮的；然而，假設不可壓縮性對于空氣動力學分析和設計來說是有優勢的。
分析機翼上不可壓縮流動的重要性
在設計或研究當今的飛行平臺時，了解機翼周圍的氣流（無論是對稱的還是弧形的）至關重要。這對于確定飛機運行速度范圍內機翼和螺旋槳的最佳材料和形狀非常重要。而速度較慢的飛機（例如馬赫數 < 0.3）的氣流往往會滿足不可壓縮性的標準。
所有真實或自然的流體（包括空氣）都是可壓縮的。然而，如果速度恒定或接近恒定，飛機和機翼周圍的空氣流可以被視為不可壓縮。這等效地意味著，對于可定義的體積或流量塊，密度是恒定的。做出這一假設可以顯著簡化翼型氣流的 CFD 分析。
翼型流體流動分析方法
求解大多數流體力學分析以及翼型研究的基礎是可壓縮納維-斯托克斯方程，如下所示。
可壓縮納維-斯托克斯方程
該方程通常用連續性方程求解，計算量大且耗時。因此，如果可能的話，通常會追求簡化。
展開 本文授權轉載自訂閱號：南流坊
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從噴水器和真空系統到燃氣灶和按摩浴缸，再到化油器和燃油噴射系統，噴嘴在許多工程應用中都很常見。噴嘴是具有不同橫截面積的幾何結構，其目的是控制流經噴嘴流體的特性。它們通常用于改變（增加）流體流動的速度。噴嘴的核心是質量守恒和動量守恒。
對于密度恒定的不可壓縮流，質量守恒規定流體的速度與噴嘴的橫截面積成反比。這意味著，隨著噴嘴橫截面積的減小，流體的速度增加。如果我們進一步假設流體的粘度可以忽略不計，即流動是無粘的，那么線動量守恒就簡化為著名的伯努利方程。本例的目的是了解守恒定律在確定通過收斂噴嘴的不可壓縮空氣流物理過程中的作用。
1、啟動FLUENT并導入網格
（1）在Windows系統下執行“開始”→“所有程序”→ANSYS 2021 R1→Fluid Dynamics→Fluent 2021 R1命令，啟動Fluent 2021 R1。
（2）單擊主菜單中File→Read→Mesh命令，導入.msh網格文件。
2、定義模型
單擊命令結構樹中General按鈕，彈出General（總體模型設定）面板，在Solver中Time選擇Steady，進行穩態計算，2D Space選擇Axisymmetric。
3、設置邊界條件
（1）在邊界條件面板中，雙擊inlet彈出邊界條件設置對話框。Velocity Magnitude輸入10，單擊OK按鈕確認退出。
（2）雙擊outlet彈出邊界條件設置對話框。保持默認值，單擊OK按鈕確認退出。
展開 OpenFOAM可壓縮流（LES Spalart-Amallaras）仿真功能
EasyCAE云平臺(www.easycae.cn)在按照頁面提示上傳網格或劃分好網格完成后，點擊“仿真設計”，用戶即可看到下圖所示的分析類型選擇界面。
目前平臺對于可壓縮流分析支持LES Smagorinsky, LES Spalart-Amallaras, Laminar, k-epsilon, k-omega, k-omega SST等湍流模型。關于求解器，目前支持附加RANS湍流的穩態(SIMPLEC)和瞬態(SIMPLE)求解器。對于瞬態求解，支持密度基和壓力基兩種算法。
選擇“OpenFOAM”，“可壓”。在下面彈出的“屬性”選項中，“湍流模型”選擇一個湍流模型，“穩態或瞬態”中選擇時間差分格式，然后點擊“保存”按鈕，完成分析類型的選擇和設置，如下圖所示：
圖 1 分析類型設置
1.材料設置
可壓縮流分析的材料屬性需要設置材料名稱、熱物理模型、混合物、組和輸運模型等。其中材料名稱、熱物理模型、混合物三項對大部分在目前集成了的求解器條件下都可以保持默認值。組分屬性需要設置物質摩爾舒和分子量。詳細設置請參照【EasyCAE教程】-- OpenFOAM可壓縮流（LES Smagorinsky）仿真功能的材料設置部分或登陸EasyCAE（www.easycae.cn）云平臺。
2.初始條件設置
采用LES Spalart-Amallaras湍流模型的可壓縮流需要設置壓力，速度，溫度，渦流，湍流熱擴散系數和湍流運動粘度nuTilda這六個初始條件。
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</p><p><strong style="color: rgb(0, 176, 80);">參考案例-不可壓縮流：求解錄制和播放：渦流脫落</strong></p><p><strong style="color: rgb(0, 176, 80);"><img src="https://public.fangzhenxiu.com/ueditor/20250907170158-a.png?
一期一會 | 什么是流體流動？8個月前
可壓縮流與不可壓縮流
可壓縮性是指將流體中的分子拉近距離的能力。
氣體很容易被壓縮，因為它們的分子相隔很遠。通過施加或減輕壓力，可以輕松改變其體積和密度。另一方面，液體很難被壓縮，因為它們的分子彼此距離更近。
對于大多數實際應用而言，液體可以被視為不可壓縮（但在某些非穩態流問題中、聲音?傳播顯著的情況下除外）。
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</div><p>3、不可壓縮/可壓縮流</p><p><br></p><p class=
另外，在隨著不可壓縮流的時間推進期間，求解器將自適應地重新網格化輸入求解器 特點。網格劃分器的另一個重要特征是能夠創建邊界層網格。當在流體壁附近計算剪切應力時，這些各向異性邊界層網格是模型求解關鍵。
圖 1 ICFD 汽車外流場、水流沖擊大壩、圓柱擾流案列
2.
本案例為穩態計算，采用不可壓縮流，采用層流模型。
圖3-1 模型設置
選擇 求解> 材料，雙擊“Air at 25C”，選擇Material Properties，確認介質物性參數，如圖3-2所示。
本案例為穩態計算，采用不可壓縮流，采用層流模型。
穩態的不可壓縮的單相流控制方程組包括質量、動量、能量和k-ε湍流方程：
其中，ρ是流體密度，u是速度矢量，p是流體的壓力，τ是應力張量，k是流體的導熱系數，T是流體的溫度，K是流體的湍動能，μ和μT分別是流體的動力黏度和湍流的動力黏度，σK是K的湍流普朗特數，ε是湍流耗散率，σε是ε的湍流普朗特數，GK表示由平均速度梯度產生的湍流動能，Gb是由浮力產生的湍流動能，最后，C1ε、C2ε
本案例為穩態計算，采用不可壓縮流，湍流模型采用Standard k-epsilon模型。
本案例為穩態計算，采用不可壓縮流，湍流模型采用Standard k-epsilon模型。
