層流邊界層分析的案例
CFD學習：層流邊界層
? 平行流線
在對曲面建模時（例如用于 CFD 分析），通常描述流體流動
就流線而言，它們是指示流動方向的假想線。對于層流，這些線彼此平行。
? 動量對流低
對于水平層流氣流，幾乎沒有動量對流或垂直
動量通量的運動，防止層的混合。
? 高擴散動量
層流流體在流動方向上的動量分布或擴散很高
流動。這種擴散可能是由剪切應力或壓力引起的。
? 低速
低雷諾數對應于較低的速度，這是
層流。較高的雷諾數表明速度和趨勢增加
湍流。
雖然層流流體流動對于平穩飛行是最佳的，但層流邊界層不穩定并且隨著氣流遠離飛機表面的前緣而分解。隨后，流動過渡到湍流狀態，這需要進行湍流和層流邊界層分析以優化系統設計。
分析具有層流和湍流的邊界
空氣動力學邊界層分析需要以下內容：
表面形狀的精確建模
納入所有相關流體參數
了解飛行環境條件
了解影響飛行的力量
了解層流和湍流特性
能夠模擬各種飛行方向（例如不同的迎角）
對于包括精確層流邊界層評估的最佳系統設計，上述內容必須包含在您采用的解決方案技術中。這最好通過使用包括多個網格生成和快速計算功能的高級 CFD 求解器工具來實現，如 Cadence CFD 工具套件中所包含的那樣。
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 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 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”.
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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 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 推薦閱讀 | 寬速域飛行器發展及研究現狀綜述
Rodi等［
56-57
］通過層流邊界層穩定性分析設計的二維幾何形狀生成吻切流乘波前體高超聲速飛行器。如圖14所示，該飛行器中后部有近似機翼的結構，腹部平坦，便于安裝發動機并對來流空氣進行預壓縮，但扁平構型存在容積率太小的問題。
圖13 附加外翼錐導乘波體示意圖[55]
Fig.13 Schematic diagram of the additional outer wing cone-derived waverider[55]
圖14 基于吻切流理論的乘波前體高超聲速飛行器[56]
Fig.14 Generation of waverider precursors for hypersonic vehicles osculating flowfield method[56]
鴨翼/邊條翼以及大三角翼可有效提升飛行器在亞、跨聲速下的氣動性能，若將其與乘波構型結合也不失為一種改善寬速域性能的方法。另外，張陽等［42］對高超聲速寬速域翼型的研究分析表明機翼翼型優化對高超聲速寬速域飛行仍具有重要意義。雖然在具體機翼翼型、面積、位置布置等方面還有待深入研究，但充分結合機翼在低速下和乘波構型在高超聲速下的氣動優勢，達到水平起降的高超聲速寬速域范圍的要求是切實可行的。
4.3 變形/組合構型
由于水平起降的寬速域飛行器的飛行速域寬、飛行空域大，單一的固定布局難以滿足要求。近年來，有學者對飛行器結構變形和兩級飛行器組合實現寬速域范圍內的良好性能進行了探討。焦子涵等［43］針對高超聲速巡航性能的吸氣式可重復使用飛行器提出伸縮翼布局和翻轉翼布局兩種構型，如圖15和圖16所示。
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