邊界層控制的案例
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 流體網格為什么有邊界層劃分
在很多工程問題中，控制邊界層脫離十分重要。控制邊界層脫離的方法很多，但無外乎兩大類：
一類是改變物體的形狀，控制物面上的壓強梯度，從而盡量縮小脫離區，例如采用細長的流線形物面；
另一類是考慮流動的內部因素，增加邊界層內流體微團的動量以加強抗逆壓力梯度的能力，如：在壁面吹吸流體，延緩分離，減少分離區，達到減少壓差阻力的效果。由于流動的分離點和來流的狀態有關，因此，在周定點處吹氣或吸氣的控制方法往往不能滿足實際的要求。
近年來，利用微型傳感器濺量繞流物面的流動特性（如壓強或壓強梯度），根據測得的信息，在物面必要的位置實行流動控制，這種帶有反饋信息的控制方法稱作主動控制。
文章來源：CAE仿真學社
展開 “高超聲速邊界層轉捩機理、預測及控制方法研究”2018年度研討會順利召開
1月12-13日，國家重點研發計劃項目“高超聲速邊界層轉捩機理、預測及控制方法研究”2018年度研討會在力學所懷柔園區召開。中國空氣動力研究與發展中心計算所陳堅強、袁先旭，超高速所張扣立、許曉斌，天津大學曹偉，清華大學任玉新、許春曉、肖志祥，國防科技大學易仕和，航天一院段毅、余平，以及力學所姜宗林、李新亮、申義慶等60余位專家出席會議。項目科技部責任專家何國威院士和航天一院十所總師閔昌萬應邀到會指導。
“高超聲速邊界層轉捩機理、預測及控制方法研究”系國家重點研發計劃項目“大科學裝置前沿研究”重點專項項目之一，包括邊界層轉捩風洞實驗研究、轉捩機理與預測方法研究、轉捩建模與控制方法、轉捩模型飛行試驗四個課題。力學所負責邊界層轉捩風洞實驗研究。
此次會議共交流25篇學術報告，包括高超聲速邊界層轉捩的理論、實驗和計算等。力學所5篇報告參與交流，涉及到高超聲速邊界層轉捩的復現風洞實驗、直接數值模擬、新型數值方法、大渦模擬和轉捩控制等方面內容。
會議期間，與會人員參觀了JF-12復現風洞和國際最大的平板、尖錐邊界層轉捩實驗模型（長度均超過3米，一般為1米以內）。
展開 在 CFD 分析中計算邊界層厚度
這是使用以下公式完成的：
在 CFD 中，邊界層厚度計算在許多空氣動力學和流體動力學應用中起著至關重要的作用。它們可用于分析：
機翼經歷的阻力和升力
從表面到流體的傳熱速率
流動穩定性和過渡
流體系統性能和效率
使用 CFD 分析求解邊界層厚度
CFD 是進行詳細流場分析（即邊界層厚度、速度剖面、壓力分布等）的關鍵分析工具。這些參數對流體系統的設計和性能具有重要意義。CFD 使用Navier-Stokes 方程進行流體流動和邊界層分析的數值模擬。可能涉及以下步驟：
在計算域中，選擇合適的層流/湍流模型。檢查湍流建模中的 y+ 要求。
生成精細網格或網格并定義 3D 模型的幾何形狀以進行邊界層分析。將 Navier-Stokes 方程分配并求解到每個網格，以準確捕獲邊界層厚度。
指定流體流動的初始條件和邊界條件。這包括定義速度、溫度、表面粗糙度、傳熱系數以及壁、入口或出口處的其他物理特性。
求解邊界層厚度。通常，這是達到 99% 自由流速度的點。用其他實驗或分析結果驗證邊界條件。
通過使用 CFD 對邊界層厚度進行適當的模擬和精確分析，可以深入了解流體行為和邊界層效應。
通過邊界層厚度分析提高流體系統性能
正確的 CFD 工具可以準確模擬和分析邊界層厚度，以幫助設計人員了解流體流動行為并優化系統以獲得最大效率。系統設計人員可以利用 Cadence 的 CFD 工具來計算定義流動剖面和邊界層效應的控制方程。通過參考高保真模擬和邊界層厚度計算的結果，CFD 求解器支持設計變更，以最大限度地減少阻力并提高飛機、風力渦輪機和船舶等流體工程結構的性能。
文章來源：cadence博客
展開 
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 流體力學核心概念：邊界層、層流和湍流
另外，再補充一點，層流和湍流之間的轉捩，不只和雷諾數有關，還和擾動有關，比如管內流動，管壁不同的粗糙程度會造成不同的擾動。壁面越光滑，層流到湍流就需要越大的雷諾數。
關于湍流，目前人類對它的認識還遠遠不夠。著名物理學家、諾貝爾獎獲得者費曼曾說過：湍流是經典物理學中最后一個尚未解決的重要問題。這一點，從計算流體力學，也就是計算機仿真中也能看感受到。你隨便打開一款流體仿真軟件，包括AICFD，會有好幾個湍流模型讓你去選擇。那應該選哪一個呢？我也不知道，就是根據直覺，不是，經驗去判斷。其實，選擇仿真模型這件事本身，就已經體現出了科學的無奈。因為最準確的湍流計算，就應該是沒有湍流模型。
所以，屏幕前的你加油啊，如果在21世紀吹開籠罩在物理學頭頂的這一朵叫湍流的烏云，應該就能拿下諾貝爾物理學獎。也讓仿真工程師以后不用再糾結用哪個湍流模型，甚至都不用判斷是層流還是湍流了。
三個名詞說了這么多，大家應該都理解得透透了，接下來咱們常規操作，做個實驗，看看層流和湍流的樣子。
借來了同事的綠蘿小水盆，買了個注射器，沖了包咖啡，流動就可視化了。
這個湍流很明顯，但那個層流，不太好，可能是手抖，控制緩慢穩定流動太難。
誒？買來一套輸液用的設備，把咖啡吊起來，通過調節滾輪的松緊，來控制出口的流速，就能避免手抖的干擾了。這個不錯，能比較明顯地看出層流和湍流。
最后放個大招，展示一下邊界層，看到沒？看到沒？皇帝的邊界層，只有聰明的人才能看到。
剛開個玩笑，想了N個辦法，包括網上查資料，都沒有找到能讓大家看到邊界層的我能支付得起的可行辦法。聰明的你，如果有啥辦法，歡迎留言！咱下次試試。
本期就到這啦，咱們下期見！拜拜
展開 平板上邊界層從層流到湍流轉變
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例介紹了平板上邊界層從層流到湍流轉變。
計算域：平板長度2m
物質屬性：密度1.2 kg/m3，粘度為1.831e-5kg/m-s
邊界條件：來流速度為5.3m/s，渦流粘度比9.7
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為38896
計算設置
本次計算為穩態湍流計算。
物質屬性
計算域內流體物質為空氣，設置它的密度和粘性參數
湍流模型
湍流模型選擇瞬態SST模型
邊界條件
計算域左側為速度入口
計算域右側為壓力出口
計算域下側為對稱邊界條件
平板壁面為無滑移邊界條件
設置求解方法和松弛因子
計算結果
計算域壓力場云圖
計算值與實驗值對比
平板上表面摩擦系數數據對比
注意：這里表面摩擦系數=壁面切應力/(0.5*密度*來流速度^2)
參考文獻
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 CFD學習：Y+邊界層厚度
確保網格足夠精細以捕獲邊界層附近的所有復雜流動行為。
確保正確定義初始邊界條件。
求解控制方程
求解與流體相關的控制方程，如納維-斯托克斯方程求解流場處的速度、壓力、溫度等。
計算影響參數
計算壁面剪切應力和摩擦速度（使用上述方程式）。
計算 Y+ 值
計算表面附近每個單元格的 Y+ 值。
確保該值在所需范圍內。
對于給定的 Y+ 值，可以計算網格單元大小以準確捕獲 CFD 模擬中的邊界層行為。
計算 Y+ 邊界層厚度
邊界層厚度可以計算為位移厚度和動量厚度之和。
邊界層厚度公式
對于計算出的邊界層厚度，檢查 Y+ 值是否在范圍內，即對于湍流，在 1 到 30 之間。
使用 CFD 工具確保結果的準確性
正確的 CFD 工具將簡化給定流場的域創建、湍流建模、網格劃分和求解控制方程的過程。可視化和表征固體邊界附近的流動行為以及與流體的相互作用的能力使工程師能夠分析壁面剪切應力和摩擦速度等參數。結果可用于計算 Y+ 和邊界層厚度。為每個模擬選擇合適的 Y+ 值的能力提高了 CFD 模擬的準確性和可靠性水平。
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展開 超聲速平板邊界層轉捩過程中擬序結構的時間演化 | 航空學報CJA
論文下載二維碼：
一
研究背景
在層流-湍流轉捩過程中，及時地可視化擬序結構的有組織運動是解開復雜動力學過程的有力工具之一。特別是時間分辨可視化方法尤為重要。因為這些時間分辨方法將提供更多關于擬序結構在轉捩過程中的有組織運動的有用信息，有助于進一步理解轉捩機制。例如，到目前為止，發夾渦是如何在下游進一步發展的，超聲速板邊界層中流動破裂的機制是什么，以及如何產生新的結構都沒有得到很好的解釋。因此，可視化轉捩過程中結構的演變有助于理解轉捩結構的起源、形成和影響發展的因素，并有望為控制邊界層轉捩提供方法。
相對不可壓邊界層研究，關于可壓縮邊界層中結構演變的實驗研究很少，特別是在超聲速或高超聲速邊界層中。在超聲速流動中，這些過程通常發生在微秒級的時間尺度上，在這樣的時間尺度上，很難通過實驗獲得多幅高分辨率的流動可視化圖像。超聲速或高超聲速流動演變的實驗研究提出了重大挑戰。因為要跟蹤高速流的結構演變，需要以快速（kHz甚至MHz）的重復率采集圖像。此外，需要非常短的曝光時間來解析瞬時流動特征。因此，在保持超聲速流動的有意義的空間分辨率的同時，滿足高速成像的時間分辨率要求具有挑戰性。
二
研究亮點
采用一種由多個脈沖激光器和多個照相機組合的方式，實現在非常短的時間間隔以高分辨率記錄Ma=3超聲速平板邊界層在轉捩過程中擬序結構的快速變化過程，通過分析擬序結構隨時間的變化以促進對邊界層轉捩和破碎成湍流過程的進一步理解。
展開 讓邊界層的求解飛起來吧
那么，相應的邊界層也會呈現兩種完全不同的狀態，借用NASA的官圖，不同于層流邊界層的一目了然，湍流邊界層內部是復雜的
瞬態流動，其速度分布的影響因素除了粘性力外，還有速度脈動帶來的雷諾應力。我們在實際工作中碰到的絕大部分工程問題都是湍流，也是CFD軟件的主攻方向。如果不激活軟件中的轉捩模型，默認計算的都是全湍流——而大部分工程問題也是可以忽略轉捩的影響。所以我們本節討論的內容限定為湍流邊界層。
湍流邊界層的直觀認識
盡管湍流及其邊界層內的速度呈現明顯的脈動特性，但是如果用平均速度的觀點來看湍流邊界層的話，大致符合下圖所示的速度分布。湍流邊界層內的速度分布極其復雜，可以按照受壁面影響的程度為內層和外層。
內層又包含線性底層、過渡層和對數層（因為這里的速度分布滿足對數率），其中
線性底層+過渡層又合稱為粘性底層，這部分區域的粘性力影響很大，尤其是線性底層的流動基本是層流。而湍流邊界層的外層，主要受主流區的影響。由于流動的非定常性，外層和內層之間沒有固定的界限，所以對數層也稱交疊層，同時屬于邊界層的內層和外層。
另外上圖給出了上述各層對應的Y+的值（為了兌現本文不出現公式的承諾，這兒我就假裝大家都知道Y+和U+的概念啦）。其中有幾個非常重要的數值，大家可以記住，通常情況下，線性底層位于Y+小于5的區域，而對數層則大致位于Y+為30到500之間的區域。
展開 CFD學習：無粘流中的邊界層方程
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
無粘流具有零粘性力，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粘流中的邊界層方程，只要指定了所有邊界條件（例如無滑移條件）。
無粘性流動的歐拉方程有助于預測流動行為和湍流的發生，這有利于進行復雜的設計優化。
機翼周圍的無粘性流體流動
粘度是影響流體行為和邊界層形成的關鍵流體特性。粘度導致流動流體的速度在與固體表面接觸并受到摩擦力時減慢。速度從自由流下降到表面附近的零，形成薄層，稱為邊界層。
但是當流體沒有任何粘性時會發生什么？在無粘流中，沒有粘性意味著形成的邊界層很薄，可以認為不存在，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。在本文中，我們將研究無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。
無粘流和邊界條件
無粘流是指粘性力可以忽略不計的流體流動類型，即流體與接觸表面之間的摩擦力為零。因此，在這種流動中沒有剪應力，在分析過程中只能考慮法向應力。此類流動模型可用于流體應用中流動行為的理論分析，包括空氣動力學設計、天氣模式預測或流體動力學分析。
由于缺乏粘性，無粘性流動的邊界層方程不適用。在這種情況下，只要適當指定邊界條件，就可以使用歐拉方程分析流場。歐拉方程基于無粘性流動的無滑移邊界條件，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 是運動粘度，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。
對于無粘流，上式可以簡化為：
U 是流體的速度。
上述歐拉方程有助于理解非粘性流動時邊界附近的速度和壓力分布。靠近表面的速度很低，并在上游不斷增加，直到達到自由流速度。
展開 
干貨 | 湍流邊界層中y+選取
Y+是一個無量綱的值，其定義如下所示：其中y是第一層網格節點與壁面的距離，uτ是摩擦速度，ν是流體粘度。
那么Y+這個值到底有什么用呢？能夠表示什么含義呢？為了解釋這些問題，就得從流體的流動特性來說起了。
流體由于粘度的存在，導致了流動存在邊界層。而邊界層根據流動狀態不同，也分為了粘性底層、過渡層和對數層（完全湍流層）三層（見下圖）。而邊界層一般都非常的薄，常常是毫米到微米級別的。因此如果采用劃分網格的方式來進行數值求解的話，那么就會大大的增加計算網格的數量，導致計算時間較長。
為了在一定的計算精度條件下加快計算速度，相關的專家學者通過實驗發現，在粘性底層和過渡層內主要是粘性力起主導作用，而慣性力可以幾乎忽略。故而在高雷諾數湍流流動的情況下，可以將網格節點畫到對數層中，即完全湍流的區域，而過渡層和粘性底層則不需要網格劃分，這一部分的物理量分布是通過數學公式——壁面函數wall function來計算的。
在這里就引入了處理近壁面區域的兩種方法：一種是壁面函數法，另一種是求解粘性底層法。而這兩種方法可根據仿真工況的需求大致來進行區分，具體的網格尺度則需要通過Y+來進行區分了。
壁面函數法——wall function，如上述所說，是通過將第一層網格放置到對數層中，而粘性底層和過渡層則不需要畫網格，這部分區域是通過數學公式來進行推導的，適用于高雷諾數的湍流，通常Y+取值為30-300。
若Y+小于30，則相當于造成了計算浪費，而且有可能造成非物理解；求解粘性底層法——相當于直接在粘性底層的區域進行網格劃分，完全采用數值求解的方法來得到邊界層的流動效果。
展開 CFD理論|流動邊界層
過渡層：所在厚度為
，粘性切應力和湍流附加切應力為同一數量級，流動狀態極其復雜，由于厚度不大，在工程計算中，有時將其并入對數律層的區域中。
對數律層：其內流體受到的湍流附加切應力大于粘性切應力，因而流動處于完全湍流狀態。
尾跡律層：所在厚度為
，層內流動受到的湍流附加切應力遠遠大于粘性切應力，流動處于完全湍流狀態，但與對數律相比，湍流強度已明顯減弱；
粘性底層：所在厚度為
，由于湍流的隨機性和不穩定性，外部非湍流流體不斷進入邊界層內發生摻混，使湍流強度限制減弱，同時邊界層內對的湍流流體也不斷進入鄰近的非湍流區。
微信公眾號：CFD控
知乎號：CFD控制
展開 [教程]hypermesh CFD邊界層網格劃分CFD-1200: CFD Meshing with
Generate the Boundary Layer and Tetrahedral Core Mesh
點Mesh生成邊界層體網格。
合理控制修改層數、第一層厚度、增長率等參數，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
展開 邊界層理論及壁面方法
問題
邊界層處理是所有CFD工程師都面臨的一個難題，
第一層取多厚？
y+值是多少？
做多少層？
層與層間的增長比例？
邊界層總厚度多少？
與試驗值不符合，要不要再加密一下……種種問題不一而足。
邊界層理論在所有流體力學著作里都有涉及，最專業的著作當屬德國航空專家H. Schlichting的《Boundary-Layer Theory》，這本專著已經出到第八版了，足見其影響力，目前亞馬遜有售。本文主要內容都是筆者的工程經驗，理論部分主要取自上述專著，難免有疏漏或不當之處，望方家斧正。
2. 理論
邊界層的概念是1904年德國著名的力學家普朗特在海德爾堡第三屆國際數學家學會上宣讀的“關于摩擦極小的流體運動”的論文中首先提出的。他根據理論研究和實際觀察，證實了對于水和空氣等粘性系數很小的流體，在大雷諾數下繞物體流動時，粘性對流動的影響僅限于緊貼物體壁面的薄層中，而在這一薄層外粘性的影響很小，完全可以忽略不計。普朗特把這薄層稱為邊界層，或稱附面層。從邊界層內的流動過渡到外部流動是漸變的，所以邊界層的厚度δ通常定義為從物面到約等于99%的外部流動速度處的垂直距離，它隨著離物體前緣的距離增加而增大。根據雷諾數的大小，邊界層內的流動有層流與湍流兩種形態。一般上游為層流邊界層，下游從某處以后轉變為湍流，且邊界層急劇增厚。層流和湍流之間有一過渡區，稱為轉捩（Transition）現象，NASA AmesCenter曾在導彈風洞試驗中復現這一現象，如圖1所示。
圖1 風洞試驗中的層流-湍流轉捩現象
圖1很直觀的給大家展現了層流到湍流的轉捩過程，我們對湍流區域的邊界層進一步放大，可以歸納出另一張經典的湍流邊界層分區，如圖2所示。
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