流體模型的案例
流體工程師必讀的六種主要理論模型!
在連續介質假設的基礎上，建立流體運動的基本方程組，具有廣泛的適應性。嚴格來說這個方程組通常并不封閉，即方程中的未知數多于方程數。為了求出理論解，必須根據情況再提出一些符合或接近實際的假設，從而在某些條件下使方程組封閉。但是，即使方程組已封閉，求方程的解仍然不是輕而易舉的。由于方程的非線性特征及方程中變量的互相耦合，使得求解這種一般的方程組幾乎成為不可能，因此還必須根據具體問題的特點抓住問題的主要方面，忽略次要方面，必要時作進一步的假設、簡化和近似，設計出一個合理的理論模型。以下列出流體力學主要的幾種理論模型，供讀者參考。
一、黏性流體與理想流體模型
1. 黏性流體模型
流體的黏性是流體的一種物理特性，它表示流體各部分之間動量傳遞的難易程度，反映了流體抵抗剪切變形的能力。黏性流體是一切真實流體的模型，它具有普遍的意義。
牛頓通過實驗首先提出黏性流體的剪切應力公式，為黏性流體力學的發展創造了條件。1823年L .納維爾和G.G.斯托克斯分別建立了不可壓與可壓黏性流體運動方程組。此后，邊界層、紊流理論的研究普遍開展起來。
雖然流體的黏性是用動力黏度μ 來衡量，但是μ 的流體未必當作黏性流體流動來處理。
展開 【JY】超詳細的非牛頓流體模型使用方法
本篇文章將詳細介紹非牛頓流體函數的具體使用方法。
常見的非牛頓流體有：冪律、CarreauYasuda 模型、交叉模型、Herschel-Bulkley 模型以及粘度曲線等 5 種模型。
表觀粘度η
非牛頓流體的粘度μ隨剪切速率γ′和剪切應力τ而變化，所以用流動曲線上某一點的τ與γ′的比值來表示在某一值時的粘度，這種粘度稱為表觀粘度，用η表示：
τ=ηγ′
η=τ/γ′
下面將介紹各模型的參數的含義：
① 冪律（Ostwald-De Wale冪律）：
冪律模型適用于廣泛剪切變形速率下的假塑性流體或脹塑性流體。
由于其在公式上的簡單性，在工程上有較大的實用價值。但是由于它是一個純粹的經驗方程，所以物理意義不夠明確。
另外，對于切變率很大或很小的情形，冪指數定律都不適用。
一致性指數：k，也稱稠度系數。k值是粘度的度量，但不等于粘度值，而粘度越高，K值也越高；
冪律指數：n，為流動行為指數或非牛頓指數，是與溫度有關的參數，n偏離1的程度越大，表明材料非牛頓性越強。；
當n>1時，冪律方程反映剪切變稠的脹塑性流體（如淀粉、蔗糖溶液、涂料等）；
當n<1時，冪律方程反映剪切變稀的假塑性流體（如大多數聚合物，番茄醬等）；
當n=1時，冪律方程反映牛頓流體k=η0；
最小粘度：流體在冪律模型下適用的最小粘度，n>1時必須要輸入；
最大粘度：流體在冪律模型下適用的最小粘度，n<1時必須要輸入。
多數高分子流體是假塑性流體，可以用冪律方程描述，其流動行為指數n=0.15~0.6。
② Carreau Yasuda模型：
Carreau Yasuda方程既反映高剪切速率下的假塑性，又反映低剪切速率下的牛頓性。能夠描寫比冪律方程范圍更廣的流動性質。
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本篇文章將詳細介紹非牛頓流體函數的具體使用方法。
常見的非牛頓流體有：冪律、CarreauYasuda 模型、交叉模型、Herschel-Bulkley 模型以及粘度曲線等 5 種模型。
表觀粘度η
非牛頓流體的粘度μ隨剪切速率γ′和剪切應力τ而變化，所以用流動曲線上某一點的τ與γ′的比值來表示在某一值時的粘度，這種粘度稱為表觀粘度，用η表示：
τ=ηγ′
η=τ/γ′
下面將介紹各模型的參數的含義：
① 冪律（Ostwald-De Wale冪律）：
冪律模型適用于廣泛剪切變形速率下的假塑性流體或脹塑性流體。
由于其在公式上的簡單性，在工程上有較大的實用價值。但是由于它是一個純粹的經驗方程，所以物理意義不夠明確。
另外，對于切變率很大或很小的情形，冪指數定律都不適用。
一致性指數：k，也稱稠度系數。k值是粘度的度量，但不等于粘度值，而粘度越高，K值也越高；
冪律指數：n，為流動行為指數或非牛頓指數，是與溫度有關的參數，n偏離1的程度越大，表明材料非牛頓性越強。；
當n>1時，冪律方程反映剪切變稠的脹塑性流體（如淀粉、蔗糖溶液、涂料等）；
當n<1時，冪律方程反映剪切變稀的假塑性流體（如大多數聚合物，番茄醬等）；
當n=1時，冪律方程反映牛頓流體k=η0；
最小粘度：流體在冪律模型下適用的最小粘度，n>1時必須要輸入；
最大粘度：流體在冪律模型下適用的最小粘度，n<1時必須要輸入。
多數高分子流體是假塑性流體，可以用冪律方程描述，其流動行為指數n=0.15~0.6。
② Carreau Yasuda模型：
Carreau Yasuda方程既反映高剪切速率下的假塑性，又反映低剪切速率下的牛頓性。能夠描寫比冪律方程范圍更廣的流動性質。
展開 紙基被動式微流體燃料電池數值模型 ￥1000
本研究建立的紙基微流體燃料電池模型主要基于甲醇和氧氣的電化學反應，反應
過程中產生二氧化碳和水。反應逸出的電子通過外部電路傳遞，從而在電路中產生電
流。陰極反應釋放出大量羥基離子，形成堿性電化學反應環境，有效地促進了反應過
程，采用氫氧化鉀溶液作為燃料的支持溶液和電解質能維持堿性反應環境。
模型和仿真結果如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎合作交流
流體動力學模型：油箱的晃動
流體動力學模型：油箱的晃動
本文轉自網絡，旨在分享知識，若侵即刪
流體動力學模型：油箱的晃動
模型背景
本案例模型表明COMSOL Multiphysics 軟件可以借助移動網格技術來仿真動態自由表面流動。模型使用不可壓縮Navier-Stokes方程來模擬液體的流動。矩形油箱內的液體（甘油）原本處于靜止狀態。運動由來回擺動的重力矢量來驅動，重力矢量的最大擺動角度為4度。
由于液體的表面沒有約束，該模型為一個不規范的計算問題。然而，ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian)技術可以很好的解決這類問題。不僅僅是可以方便的在COMSOL Multiphysics中建立移動網格（ALE）應用模式，而且在移動網格求解域邊界，它代表了自由的邊界條件。這也允許更加精確的估計邊界條件特性，比如曲率，也使得表面張量分析成為可能。本實例忽略了表面張量的影響。
詳細內容請查看附件。
comsol流體動力學模型(油箱的晃動).pdf
展開 雙螺桿壓縮機流固共軛傳熱CFD分析 附基于SCORG和Simerics MP 的CFD雙螺桿泵數值模
圖1 轉子瞬態導熱模型
圖2 經過1分鐘熱傳導后轉子內溫度分布云圖
以上簡單的模擬結果證明，求解螺桿壓縮機流體與固體之間的直接耦合傳熱是不經濟的。在此基礎上，提出了一種混合時間尺度耦合方法，該方法在獲得穩定解所需的時間大大縮短的同時，仍能捕捉到較好的共軛傳熱效果。
在本研究所提出的耦合方法中，流體域和固體域作為獨立的模型被計算，在流固交界面上交換熱量作為每個模塊的邊界條件。在流體模型中，將固體模型計算溫度結果作為其邊界條件。在固體模型中，將流體模型平均每圈計算的熱通量作為其界條件。迭代過程從流體模型的瞬態模擬開始，在流體/固體界面處設置恒定的初始溫度；流體模型完成一個循環后，將界面熱通量反饋到固體模型；固體模型進行穩態求解，收斂后將固體模擬得到的界面溫度作為邊界條件反饋回流體域；流體模型將進行下一個循環并更新的界面熱流，直到界面熱流和溫度穩定收斂。
展開 Simerics | 雙螺桿壓縮機流固共軛傳熱CFD分析
利用Simerics二叉樹非結構化網格對流體域的進出口進行網格劃分。所有的流體體積通過不匹配的網格接口(MGI)連接在一起。流體域的網格總數約為145萬個單元。流體域的網格如圖5（a）所示。
圖5 網格：（a）流體模型（b）固體模型
進氣口設置為總壓、總溫邊界條件，出口設置為靜壓邊界條件。將流固界面設置為溫度邊界，具體溫度數值由固體模型求解給出。模擬流體為空氣，采用理想氣體定律進行建模。外轉子轉速為8000轉/分。為了驗證流體與固體之間的耦合傳熱效果，還模擬了相同參數條件下，用絕熱壁面求解流體-固體界面的傳熱算例并進行了比較。
固體模型包括三部分:機殼、陽轉子、陰轉子。全部使用二叉樹劃分網格，數量大約40萬個單元。如圖5 (b)所示，流固界面設置為固定熱流邊界，具體熱流數值由流體模型求解給出。殼體外表面設置為熱對流邊界。固體模型求解穩態導熱問題。與流體模型的仿真時間相比，固體模型每次運行的仿真時間可以忽略不計。
模型邊詳細邊界條件設置如下表所示。
在仿真過程中，陽轉子轉動5圈左右時仿真結果開始呈現周期性變化。下圖顯示了流體和轉子之間的瞬時和平均熱通量。轉子界面處流體與固體之間的最大瞬時熱流約為400w，殼體外表面帶走的平均熱量約為100w。
圖6 熱流量收斂趨勢
最終計算的陽轉子、陰轉子、機殼平均固體域溫度分別為345.3 K、349.0 K和329.6。圖7 (a)為固體中心截面的溫度分布，圖7 (b)為轉子表面溫度。
展開 流體模型演奏宇宙“命運交響曲”
宇宙學家對粘度的定義不同于流體力學家，宇宙學的粘度是體積的概念，粘度大小測定了時空膨脹和收縮的“流體抵抗力”。人們的日常生活很少涉及體積粘度的概念，大多數流體既沒有大的壓縮性，也沒有大的膨脹性。
科學團隊的研究對象是所謂的相對論流體，天文物體學的相對論流體包括了超新星（一種爆炸的恒星）、中子星（一種壓縮到行星尺寸的恒星）。科學家成功地開發了“理想流體”的物理模型，理想流體沒有粘度、以接近光速流動，然而，理想流體與現實流體不同，自然界幾乎所有的流體具有粘性。科學家經過幾十年的努力，沒有開發出一種物理模型，它既有普遍接受的粘性，也有相對論的流速。
過去的模型預測了相對論流體加速到光速的特定比例時產生的情形，甚至預測了相對論流體以高于光速流動時所需的特定條件，然而，低于光速和高于光速的兩類預測產生了問題。過去的物理模型存在很大的問題，實驗證明，自然界不存在超光速運動的物體。明顯錯誤的模型激發了數學物理學家重新建構相對論流體動力學方程式，科學團隊在方程式參數的選擇中避免了超光速運動的可能，迪斯康茲將新的數學方程式建構在上個世紀50年代法國數學家安德烈·里茨勒羅維茲建構的數學方程基礎上。
迪斯康茲建構了新的數學方程式，然后應用到在宇宙學領域，新的數學方程可能擴大宇宙學理論的視野，在宇宙學研究中產生奇妙的“化學變化”，比如：他們對神秘的暗能量性質獲得了新的認識。上個世紀90年代，宇宙學的一項發現震撼了科學界，天文學的精確測量表明，宇宙產生了不斷加速的膨脹，為了解釋未曾預測的宇宙加速膨脹現象，物理學家假設了一種發生排斥作用的能量，這種“看不見”的能量被科學家命名為“暗能量”。
展開 流體工程師狂喜：用代理模型做流體力學計算
前面介紹了如何用代理模型取代有限元，快速評估結構強度：《結構工程師狂喜：如何用代理模型快速評估結構強度》
結構工程師們喜出望外。但結構流體不分家，不能厚此薄彼。
再分享個案例，用代理模型快速做流場計算。
案例背景是飛機的重要結構——機翼，飛機能否離地，是否省油，好不好控制，都要看機翼。
機翼的升力、阻力、升阻比等指標一直是CFD模擬中的常客。機翼的形狀確定后，這些指標還會受到攻角、雷諾數的影響。
所以CFD仿真工程師常做一件事：對同一個機翼，重復地“變攻角——畫網格——計算——變雷諾數——畫網格——計算——變攻角...”
其中心酸，聞者流淚。
下面這個表格就是用CFD計算得到的結果，足足有700多行。
其中Alfa是攻角，Re是雷諾數，均為輸入值。Cl是升力系數，Cd是阻力系數，Cm是俯仰力矩系數，均為輸出值。
我們要做的，是基于這些數據得到一個代理模型。之后遇到新的攻角和雷諾數組合，就可以擺脫CFD，直接用代理模型計算了。
創建代理模型第一步，打開數據建模軟件DTEmpower。沒安裝的可到天洑軟件官網下載，安裝就自帶免費試用。
軟件啟動后，新建項目，導入數據表格。
然后創建流程，選擇專業模式。之后在畫布依次拖入數據讀取、空值處理、變量設定、數據清理AIOD以及數據分割節點。
數據清理的作用是給每組數據的風險值打個分，并剔除風險高的異常數據，防止影響建模精度。
數據分割節點的作用是把數據分成兩部分，分別用來做模型訓練和模型精度測試，默認按照3:1的比例分割。
數據處理之后，拖入模型訓練算法。因為不知道哪種算法合適，所以干脆拖入多個，同時訓練，訓練之后選個精度高的。
最后連線，表示數據傳遞。
展開 激波作用下顆粒層動態演化的雙流體模擬
所用到的數值模擬方法可大致分為基于歐拉-歐拉策略的雙流體模型和基于歐拉-拉格朗日的顆粒軌道模型。由于爆炸拋灑過程中會形成沖擊波，流場中局部速度梯度極大，進而對數值求解提出了一定的挑戰。本論文工作的主要目的是測試計算流體力學開源軟件OpenFOAM自帶的雙流體模型在模擬預測沖擊作用下顆粒層拋灑特性的準確性。鑒于此，本文工作針對Theofanous等[7]的沖擊拋灑實驗，開展了對應的雙流體模擬，并定量對比了數值模擬結果和實驗結果，以為后續系統研究沖擊作用下顆粒物料的流動傳遞反應特性奠定基礎。
1.數值模擬方法和參數設置
本文相關數值模擬都是基于計算流體力學開源軟件OpenFOAM中的雙流體模型，所用到的求解器為基于blastFOAM的blastEulerFoam。此求解器是blastFoam的歐拉-歐拉模型求解器變體，且與OpenFOAM的標準求解器相比，主要優勢是可以求解任何數量的顆粒相。在雙流體框架下氣兩相的質量、動量和能量守恒方程文獻中有諸多描述，在此不再贅述。
為了檢驗OpenFOAM中的雙流體模型能否成功模擬沖擊情況的氣固兩相流，本論文工作中雙流體模擬的主要參數設置參照試驗中參數設置，如圖1所示。高壓氣體由左側向右沖擊顆粒床層，在顆粒床層左右兩側設置兩個壓力監測點（-0.732m，0.1m），（0.608m，0.1m），以檢測沖擊波掃過顆粒床層后的氣相壓力變化。模擬中氣體和顆粒屬性都參考實驗中的設置。顆粒密度為2460kg/m3，直徑為0.9mm，顆粒層固含率為0.36；左側通入沖擊波馬赫數為1.66的高壓氣體；顆粒層右側是常壓靜止氣體；上下壁面設置為無滑移壁面條件。模擬中氣相為理想氣體。
2.結果與討論
(1)沖擊波演化
圖2給出了沖擊過程中氣體壓力、氣體速度和固含率隨時間的演化。
展開 
粗論COMSOL等離子體仿真
如果你不理解你的物理模型，不懂得一些基本的數值計算的基本概念，而直接去使用COMSOL進行仿真任務，那就跟坐穿天猴去火星是一個道理。
接下來小編結合大部分人遇到的問題談一談使用COMSOL對等離子體進行仿真的困難！
1.首先我們要清楚COMSOL能仿真哪些等離子體現象？
這不是一個絕對的能或不能的問題。如果我們單純指comsol的等離子體模塊，那可以仿真的等離子體類型有很多。等離子體模塊的控制方程就是所謂的流體模型（即漂移擴散近似D-DA），我們知道等離子體仿真包括流體模型，粒子模型，混合模型。而流體模型針對不同的等離子體類型又有不同的‘變種’。比如常見的實驗室內低溫等離子體反應器如CCP,ICP，電暈，大氣壓的streamer，jet，直流輝光，這幾大類都可以使用漂移擴散的流體模型。那么對于等離子體反應物種仿真，comsol也提供了全局模型。對于局部電場較高的情況下，提供了局部場（LFA）近似模型。
還有一類采用swarm參數的模型，比如電離系數，復合系數等均為局部電場的函數，這類模型可以使用PDE模塊。
如果想模擬局域或非局域熱平衡狀態的低溫等離子體，比如電弧，等離子體炬等熱等離子體，其控制方程為磁流體力學方程組，此時等離子體模塊將不再適用。而改用組合使用CFD和電磁場模塊。不要再嘗試用不適合的模型求解某個特定問題，那都將是徒勞。
原則上，只要仿真的物理模型為可數值求解的PDE方程組均可以使用comsol進行求解。
2.等離子體模塊的氣壓限制
氣壓不能太低（小于0.01Pa，但實際上針對不同的放電類型，有些類型的最低氣壓限制可能更高），因為氣壓過低等離子體已不能使用流體描述，流體模型將不再適用。
3.
展開 ansys壓電-流體耦合仿真實例-微泵
參考例子為ansys幫助中的例子----Example Simulation of a Piezoelectric Actuated Micro-Pump，但是這個例子中在最后的求解中介紹不詳細，這里進行補充，供大家參考與討論，下面依次會提出這里例子的詳細過程：這里先給出兩個基本模型，壓電模型與流體模型，其中，壓電模型包括了壓電分析的大部分步驟，只是最后不需要有求解就可以了，流體模型主要包括網格模型，具體的求解設置等需要在CFX中完成
壓電模型
piezo.rar
流體模型
CFX_fluid.rar
說明：
1，讀者需要具有一定的編寫命令流的能力，以上兩個文件都是用經典ansys的命令流編寫的模型
2，讀者需要具有一定的ansys命令行啟動能力，這個主要是用于去接最后生成的流體以及網格模型
3，讀者具有一定的CFX操作能力，特別是關于網格變形的分析能力
1.rar
首先使用ANSYS Mechanical APDL Product Launcher 14.0運行上面的兩個inp文件，采用batch方式運行，分別生成pfsi-solid.cdb文件和 fluid.cdb 如附件
展開 OpenFOAM 多相流基礎培訓
基于雙流體模型求解氣液兩相流
理論方法介紹，氣液兩相受力分析，IACT輸運方程的實現，壁面沸騰模型（RPI）
雙流體模型中湍流模型的實現
案例介紹：管道沸騰傳熱
注：最終的培訓內容可能會根據課程的時間以及學員的興趣作出調整。請自備電腦及相關軟硬件設備。
授課嘉賓介紹
符凱，2010年獲瑞典皇家工學院理學博士學位。先后在瑞典皇家工學院物理系核反應器技術部、北京計算科學研究中心力學部做博士后研究工作。曾主持開展北歐核工業界資助項目NORTHNET Roadmap 1以及中國博士后科學基金面上資助項目。已發表期刊論文8篇，會議報告5篇。主要研究方向是：兩相流界面處理方法，兩相流相變模型。
邱小平，博士2017年6月畢業于中國科學院過程工程研究所，有5年OpenFOAM使用和二次開發經驗，現從事CFD開發相關工作。主要研究興趣：氣固兩相流動的數值模擬方法，包括雙流體模型和離散顆粒方法；湍流模型；空化以及其產生的噪聲的數值模擬。
吳玉欣，博士。分別于2009年和2014年在中國科學技術大學熱科學和能源工程系獲工學學士和博士學位。現任教于安徽工業大學，主要研究方向為湍流燃燒、高能燃料燃燒及燃燒污染物生成的數值模擬。在OpenFOAM計算流體軟件開發領域積累了五年以上的研發經驗，曾首次開發出基于小火焰模型的OpenFOAM燃燒計算模塊，同時具備多年的CHEMKIN及Cantera等反應動力學計算軟件開發經驗。
課程費用及支付信息
本期課程 3000 元 / 人。前10位報名參加者可享受9折優惠。課程費用包括培訓費、教材費、午餐及茶歇。住宿及晚餐需自理。
掃碼報名咨詢
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基于雙流體模型求解氣液兩相流
理論方法介紹，氣液兩相受力分析，IACT輸運方程的實現，壁面沸騰模型（RPI）
雙流體模型中湍流模型的實現
案例介紹：管道沸騰傳熱
注：最終的培訓內容可能會根據課程的時間以及學員的興趣作出調整。請自備電腦及相關軟硬件設備。
授課嘉賓介紹
符凱，2010年獲瑞典皇家工學院理學博士學位。先后在瑞典皇家工學院物理系核反應器技術部、北京計算科學研究中心力學部做博士后研究工作。曾主持開展北歐核工業界資助項目NORTHNET Roadmap 1以及中國博士后科學基金面上資助項目。已發表期刊論文8篇，會議報告5篇。主要研究方向是：兩相流界面處理方法，兩相流相變模型。
邱小平，博士2017年6月畢業于中國科學院過程工程研究所，有5年OpenFOAM使用和二次開發經驗，現從事CFD開發相關工作。主要研究興趣：氣固兩相流動的數值模擬方法，包括雙流體模型和離散顆粒方法；湍流模型；空化以及其產生的噪聲的數值模擬。
吳玉欣，博士。分別于2009年和2014年在中國科學技術大學熱科學和能源工程系獲工學學士和博士學位。現任教于安徽工業大學，主要研究方向為湍流燃燒、高能燃料燃燒及燃燒污染物生成的數值模擬。在OpenFOAM計算流體軟件開發領域積累了五年以上的研發經驗，曾首次開發出基于小火焰模型的OpenFOAM燃燒計算模塊，同時具備多年的CHEMKIN及Cantera等反應動力學計算軟件開發經驗。
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