邊界層厚度
關(guān)注創(chuàng)建者：Cadence CFD學(xué)習(xí) 創(chuàng)建時間：2023-06-01
邊界層厚度的視頻教程
帶有零厚度內(nèi)聚力單元的網(wǎng)格模型添加周期性邊界條件
帶有零厚度內(nèi)聚力單元的網(wǎng)格模型添加周期性邊界條件，通過PBC插件實(shí)現(xiàn)。 一般來說，市面上所有的插件是無法給有零厚度內(nèi)聚力單元的模型添加周期性邊界條件的，因?yàn)橹芷谛?em>邊界條件的周期節(jié)點(diǎn)識別是通過坐標(biāo)平移后容差實(shí)現(xiàn)配對的，零厚度內(nèi)聚力單元如果在周期性網(wǎng)格的表面上，那么插件的容差無論調(diào)整多小，軟件都無法區(qū)分內(nèi)聚力單元上重合的節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致邊界條件添加失敗或添加上錯誤的邊界條件。
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Hyper mesh 2D邊界層繪制
邊界層網(wǎng)格創(chuàng)建： 深入講解邊界層網(wǎng)格的概念和重要性。 演示如何在HyperMesh中創(chuàng)建邊界層網(wǎng)格，包括選擇表面、設(shè)置邊界層參數(shù)和生成網(wǎng)格。 視頻特色： 實(shí)操性強(qiáng)：通過實(shí)際案例演示，讓您在操作中掌握技能。 詳細(xì)講解：對每個步驟進(jìn)行細(xì)致講解，確保您能夠跟上節(jié)奏。 互動性強(qiáng)：視頻中包含問答環(huán)節(jié)，幫助您鞏固所學(xué)知識。
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邊界層厚度的實(shí)例教程
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，您可能會注意到靠近表面的水層移動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。靠近表面，形成邊界層。這種行為在各種流動中都可以觀察到——例如，當(dāng)風(fēng)吹過飛機(jī)機(jī)翼或當(dāng)水與水翼船接觸時。問題在于該邊界層的厚度以及它如何影響流動和流體系統(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
邊界層是指在流動過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速度，并形成了一個低速區(qū)——邊界層。因此，邊界層也可以通過速度的逐漸過渡來表征。
隨著流體遠(yuǎn)離表面移動，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是層流還是湍流。讓我們考慮在平板上流動的流體。在層流邊界層中，流動平穩(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是平板的長度
Re 是雷諾數(shù)
湍流可能與表面粗糙度過高、流動隨機(jī)性和強(qiáng)度增加有關(guān)。因此，CFD 中邊界層厚度的計(jì)算可以簡單地作為一個估計(jì)值。
展開 Y+值決定了邊界層厚度預(yù)測的準(zhǔn)確性。
1 到 30 之間的 Y+ 值被認(rèn)為適合模擬。
讓我們考慮一個流體流過平板的常見示例。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、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+ 值是一個無量綱參數(shù)，表示從第一個網(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)出來的，因此有以下幾點(diǎn)需要注意：
如果 Y+ <1，則第一個網(wǎng)格單元位于層流子層內(nèi)。
如果 Y+ > 30，則第一個網(wǎng)格單元位于粘性子層內(nèi)。
展開 自然對流有邊界層嗎？自然對流和強(qiáng)制對流的邊界層厚度怎么計(jì)算？
在進(jìn)行湍流仿真計(jì)算時，對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。
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)格厚度通過上述三個參數(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），層間增長率通過計(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Lc=7m），若采用圖7的wallThickness方法，需要確定三個主要參數(shù)：
1. Prism Layer Near WallThickness（底層網(wǎng)格厚度）
可通過下列公式計(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)）
外氣動計(jì)算一般推薦層間增長率在1.2~1.3之間，此處取增長率1.2，可計(jì)算得到大約需要35層邊界層。
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邊界層厚度的最新內(nèi)容
你算液冷，如果更換了流質(zhì)，例如從水換成乙二醇，由于雷諾數(shù)的變化，邊界層的厚度也會隨之改變。這意味著要重新走一遍網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證流程。
有沒有辦法讓算法自己尋找需要加密的地方？天洑AICFD的AI網(wǎng)格正是為了解決這一痛點(diǎn)。
在AI網(wǎng)格流程下，你只需要提供一套基礎(chǔ)的、覆蓋幾何形狀的粗網(wǎng)格。
一期一會 | 什么是層流？7個月前
邊界層的厚度和速度分布，是確定壁面剪切力阻力和傳熱的重要特征。
計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真示例：一個具有體積的空間中，存在一個移動平板時的層流流動。平板表面的相對速度為零，然后單調(diào)增加到主體速度。
邊界層網(wǎng)格構(gòu)建時，在機(jī)翼表面設(shè)置5層棱柱層，首層高度0.01mm保證Y+<1，膨脹比1.2，總厚度占邊界層位移厚度的80%，該設(shè)置能精確捕捉翼型表面的流動分離現(xiàn)象。
最終體網(wǎng)格生成階段采用Poly網(wǎng)格類型，在機(jī)翼表面10mm范圍內(nèi)生成多面體邊界層，邊界層區(qū)域使用棱柱層主導(dǎo)網(wǎng)格。
對槳葉區(qū)域采用"O-grid"技術(shù)時需注意：O型環(huán)寬度應(yīng)≥3倍邊界層總厚度，環(huán)向分段數(shù)需為4的倍數(shù)，在Edge Params中設(shè)置槳葉前緣的權(quán)重系數(shù)為0.7以強(qiáng)化流動分離捕捉。
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<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202506/attachment/fe910bef50f54a4e945354be90f5f1cf.png
<figure style="text-align: center;" class="ql-align-center"><figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202505/attachment/bac005127e9e4c4fafa6a0ac4883fc5b.png
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Abaqus纖維復(fù)合材料層合板拉伸試驗(yàn)仿真模型!
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模擬過程采用hashin子程序
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內(nèi)插0厚度cohesive
基于這個方程可以定性得出幾個結(jié)論：1，因?yàn)檠鯕庠跉庀嘀械幕瘜W(xué)勢μ與其分壓正相關(guān)，故而一般來說池體深度越深，氧傳遞速率就會越大；2，在同樣的曝氣量下，氣泡直徑越小，比表面積就越大，即氣液接觸面積S就越大，氧傳遞速度V也就越大；3，邊界層厚度L越薄，氧傳遞速度V就越大，而L的大小是由池內(nèi)流場決定的——曝氣量、氣泡大小、曝氣器的位置布置等因素共同決定了池內(nèi)的流場特性。
特殊的物理模型</strong></p><p>液態(tài)金屬鈉的特性：液態(tài)金屬鈉的普朗特?cái)?shù)遠(yuǎn)小于1，表現(xiàn)為導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)大于對流擴(kuò)散能力，溫度邊界層厚度遠(yuǎn)大于流動邊界層厚度。因此，一般CFD軟件默認(rèn)的湍流普朗特?cái)?shù)Prt=0.85已不適用于液態(tài)金屬鈉。Jischa湍流普朗特?cái)?shù)模型被驗(yàn)證適用于液態(tài)金屬鈉，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測傳熱特性。</p><p>多相流模型：鈉冷快堆中可能存在多相流現(xiàn)象，如鈉的沸騰等。
體網(wǎng)格類型選擇多面體和邊界層的混合網(wǎng)格，邊界層的厚度為0.035mm。在需要生成邊界層的壁面上定義邊界層的層數(shù)、第一層層高和增長率，生成多面體和邊界層的混合網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量最后在186w左右，網(wǎng)格分布如圖2所示。
