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關注創建者:匿名 創建時間:2026-01-05

流動不穩定性的實例教程
導讀:介紹兩種流動不穩定現象:開爾文-亥姆霍茲不穩定、瑞利-泰勒不穩定。
流動穩定性
流動穩定性(hydrodynamic stability) 流動受初始擾動后恢復原先運動狀態的能力。外界的擾動如果會自動衰減,原先的流動便是穩定的;外界的擾動如果會發展,并轉變為新的流動狀態,這就是 流動失穩現象。
流動穩定性理論研究流體運動穩定的條件和失穩后流動的發展變化,包括轉捩為湍流的過程。
層流到湍流的轉捩,一般始于失穩。但隨著某流動參數(如雷諾數)的逐漸增大,流動失穩后也有可能過渡為另一種更為復雜的層流,最后再失去層流的規律性,轉捩為湍流。
本文介紹的兩種不穩定現象是屬于有一個明確界面的穩定性問題,
開爾文-亥姆霍茲不穩定
開爾文-亥姆霍茲不穩定性(英語:Kelvin–Helmholtz instability,名稱來自開爾文男爵和赫爾曼·馮·亥姆霍茲)是在有剪力速度的連續流體內部或有速度差的兩個不同流體的界面之間發生的不穩定現象。
KH不穩定性廣泛存在于高能量密度物理、地球和天體物理、慣性約束聚變、燃燒、玻色-愛因斯坦凝聚、石墨烯等領域。充分發展的KH不穩定性導致了星際颶風、星系旋臂、太陽風與地球磁層相互作用中大規模旋渦結構的形成;另一方面,被顯著抑制的KH不穩定性有助于高準直、高長寬比、高穩定性超聲速天體射流的形成。
比如說風吹過水面時,在水面上表面的波的不穩定。而這種不穩定狀況更常見于云、海洋、土星的云帶、木星的大紅斑、太陽的日冕中
瑞利-泰勒不穩定
當重流體處于輕流體上方時,如果界面無限平整且不存在擾動,則該流體系統處于不穩定平衡狀態。由于在自然界中擾動的不可避免性,即便是原本無限平整的界面在重力作用下也會發生失穩。
展開 總結:作者利用離聚物以及聚電解質類材料的熱力學不穩定的特質,從分子設計上引入大位阻,制備了在常溫下動力學穩定但熱力學不穩定的材料。當動力學穩定性被熱或者力刺激破壞后,熱力學不穩定性使得材料中未配對的離子進行配對進而形成更多更大的聚集體,這些聚集體作為更強的物理交聯點賦予材料更強的力學性能。從而真正實現了像生物材料一樣的超量恢復行為。
該工作被發表在Materials Horizons雜志上(Materials Horizons, 2021, DOI: 10.1039/D1MH00638J),第一作者為博士生彭燕,通訊作者為吳錦榮教授。該工作由國家自然科學基金(51873110)和四川省科技計劃項目(2021JDJQ0018)。
原文鏈接:
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/mh/d1mh00638j#!divAbstract
展開 【小結】
這篇文章揭示了在納米尺度內力學不穩定性對超低剛度材料性能的影響。通過材料在相變過程中經歷的力學不穩定性和對超材料的分子動力學模擬的手段,在準靜態條件下得到了剛度低于2GPa的超金屬。研究結果表明,在準靜態條件下,超材料通過一系列的手段得到了完全致密、全面強度納米級的超低剛度。
文獻鏈接:Harnessing mechanical instabilities at the nanoscale to achieve ultra-low stiffness metals(Nat.Commun, 2017,DOI:10.1038/s41467-017-01260-6)
本文轉自材料牛
展開 Axial Machines(軸向機械):流體的流動沿旋轉軸軸向方向穿過機械設備內的流域
例如:螺旋槳推進器,軸流式風機/壓縮機/渦輪機/旋流器
2. Centrifugal Machines(離心式機械):流體的流動沿與旋轉軸垂直方向穿過機械設備內的流域
例如:液泵,離心風扇/壓縮機,放射狀渦輪
3. Mixed flow:流動介于軸向式和離心式之間
例如:攪拌tank
II. 轉動部件和靜止部件之間相對運動引起的不穩定相互影響:
1. 潛在相互影響:從上游和下游傳播來的壓力波動引起的流動不穩定性
2. 尾跡效應的影響:從上游向下游傳遞的尾跡引起的流動不穩定性
3. 沖擊波影響:對于亞音速/超音速流動,沖擊波沖擊下游扇葉引起的不穩定性
MRF和MPM都忽略了這些相互作用,因此只限于用在這些交互作用很弱的流動問題上。
而Slide Mesh模型對這些交互作用的預測比較準確。
III. FLUENT處理旋轉動力機械問題的4種模式:
1. SRF (Single Rotating Frame):整個流場都以同一旋轉參考系為參考(最簡單的模式,不再贅述)
2. MRF(Multiple Rotating Frame):有一個以上的參考系,忽略流域之間的相互影響。在流動穿過轉動區域(流進然后又流出轉動區域的外邊界)的地方可能得出誤導性的結果。
3. MPM (Mixing Plane):對于有多組扇葉而且相鄰兩組扇葉的扇葉數量不一樣的旋轉動力機械,不能用MRF模型建立周期性流場,此時可用Mixing Plane模式建立周期性流場。
4.SMM (Slide Mesh) : Slide Mesh模型考慮了所有流域間相對運動引起的交互影響,可以得到比較精確的結果。但只能用于瞬態計算,耗費計算資源較大。
Ⅳ. MPM (Mixing Plane)模型
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展開 Axial Machines(軸向機械):流體的流動沿旋轉軸軸向方向穿過機械設備內的流域
例如:螺旋槳推進器,軸流式風機/壓縮機/渦輪機/旋流器
2. Centrifugal Machines(離心式機械):流體的流動沿與旋轉軸垂直方向穿過機械設備內的流域
例如:液泵,離心風扇/壓縮機,放射狀渦輪
3. Mixed flow:流動介于軸向式和離心式之間
例如:攪拌tank
II. 轉動部件和靜止部件之間相對運動引起的不穩定相互影響:
1. 潛在相互影響:從上游和下游傳播來的壓力波動引起的流動不穩定性
2. 尾跡效應的影響:從上游向下游傳遞的尾跡引起的流動不穩定性
3. 沖擊波影響:對于亞音速/超音速流動,沖擊波沖擊下游扇葉引起的不穩定性
MRF和MPM都忽略了這些相互作用,因此只限于用在這些交互作用很弱的流動問題上。
而Slide Mesh模型對這些交互作用的預測比較準確。
III. FLUENT處理旋轉動力機械問題的4種模式:
1. SRF (Single Rotating Frame):整個流場都以同一旋轉參考系為參考(最簡單的模式,不再贅述)
2. MRF(Multiple Rotating Frame):有一個以上的參考系,忽略流域之間的相互影響。在流動穿過轉動區域(流進然后又流出轉動區域的外邊界)的地方可能得出誤導性的結果。
3. MPM (Mixing Plane):對于有多組扇葉而且相鄰兩組扇葉的扇葉數量不一樣的旋轉動力機械,不能用MRF模型建立周期性流場,此時可用Mixing Plane模式建立周期性流場。
4.SMM (Slide Mesh) : Slide Mesh模型考慮了所有流域間相對運動引起的交互影響,可以得到比較精確的結果。但只能用于瞬態計算,耗費計算資源較大。
Ⅳ. MPM (Mixing Plane)模型
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流動不穩定性的相關專題、標簽、搜索
流動不穩定性的最新內容
流體力學理論教程(全英PDF)
前言
流體力學中的歐拉和朗格朗描述
連續介質的變形
流體的流變行為
流體力學中的表面張力
流動可視化
壓力場和流體加速
低雷諾數流動
可壓縮流體的通道流動
渦度
邊界層的基礎知識
湍流
邊界層控制
二次流
流體中的波
流動不穩定性
空化現象
稀薄氣體動力學
分層流
旋轉流
空氣動力學產生的聲音
對于表面有坑的球,這個坑增加了周圍空氣流動的不穩定性,比如高爾夫球在速度到17米每秒的時候,就已開始發生層流到湍流的轉捩,讓分離延遲,阻力系數就開始減小了,在達到30米每秒的時候,阻力系數降到最低。所以在17-118米每秒的速度區間時,高爾夫球的阻力是遠小于光球的,而平時打高爾夫球的速度,恰好就在這個速度區間內。
為了佐證這一理論,用流體仿真軟件AICFD做了個模擬。
波浪紋形成是一個復雜的過程,涉及到熔體流動的不穩定性、材料特性以及模具設計等多個因素。
常見波浪紋的形成原因
模具溫度
模具溫度過低,接觸模具表面的熔體凝結速率太快,可能導致塑料前沿熔體在填充過程中過早冷卻,無法完全接觸模面而形成波浪狀的紋路。因為處于凍結狀態,保壓也無法使其平整,在整個料流方向上甚至到流道末端可以看出很深的紋路。
此外,高分子熔體流動不穩定性也主要與熔體彈性效應密切相關,比如毛細管擠出過程中的入口壓力振蕩或毛細管壓力振蕩、擠出物表面畸變等。
高分子材料的剪切變稀
高分子液體的黏度和牛頓流體黏度不同,是隨著剪切速率而變化的,稱作 非牛頓流體,又可以分為賓漢塑性體、假塑性流體和脹流性流體等。大多數的高分子液體屬于假塑性流體。在發生剪切變稀之前,剪切黏度為常數,稱為零剪切黏度。
采用簡化的不可壓縮、無湍流、無粘度的勢流模型來描述流動的不穩定性,并在一個簡單案例中通過實驗和數值結果進行驗證。實驗裝置的實物圖和實驗模型示意圖如圖2和圖3所示。
FSI 模擬具有挑戰性,涉及網格變形技術、復雜的建模和流動的不穩定性。Cadence 的解決方案包括執行復雜流固耦合仿真所需的所有工具。
來自博客
HiFi-TURB 項目 - 使用 AI 和 ML 進行湍流建模
今天,應用流體動力學的一個重大挑戰是缺乏對湍流相關特征的理解。讓我們對將 CFD 應用于飛機機翼上的流動分離、激波邊界層相互作用等應用缺乏工業信心。
表4 不同星載天線熱控方案對比
然而對于復合式熱控架構中涉及不同熱控技術的高效耦合與集成,兩相泵驅流體回路技術中涉及的微重力環境下蒸發器內的流動沸騰機理和儲液器內的運行特性,復雜條件下回路內兩相流動不穩定性的形成機制及其對系統穩定運行的影響和抑制措施等研究仍待深入.
c.
然而,制造均勻的涂層不是一項 簡單的任務,在該過程中經常出現各種流動不穩定性或缺陷,如氣泡、帶狀物和細流。 模具幾何形狀、槽的尺寸和基板上方的高度,以及涂布液的非牛頓流體性質都是需要 考慮的重要因素。
Zap能源公司的方法叫做“剪切流穩定”,其通過調整等離子體沿立柱的流動來克服不穩定性。這種設計用速度更快的等離子體流將等離子體包裹在立柱中心軸附近。離子體就像在高速公路中間車道上行駛的一輛輛汽車,由于兩側車道呼嘯而過的車輛高速而密集,因此無法變換車道。與之前的Z箍縮結構相比,這種設置保持聚變反應等離子體被集結和被壓縮的時間更長。
圖6:采用30°噴射角的HVSFS燃燒室中二氧化鈦顆粒流動路徑的不穩定性
本文之后的研究工作包括優化HVSFS熱噴涂系統的過程,目的是精確和詳細地描述在torch出口和基底之間的自由射流區域的流場,也就是本文中簡略的部分。此外,還需要對HVSFS燃燒室中顆粒流動路徑的不穩定性進行研究。
