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流体动力学主要种类

2022/07/1684 作者:佚名
导读:可压缩流与不可压缩流 所有流体某种程度上而言都是可压缩的,换言之,压力或温度的改变会造成流体密度的改变。然而,许多情况下,压力或温度改变所造成的密度改变相当微小,是可以被忽略的。此种流体可以用不可压缩流进行模拟,否则必须使用更普遍性的可压缩流方程式进行描述。 数学上而言,不可压缩性代表着流体流动时,其密度维持不变,换言之:其中,D / Dt为对流导数(convective derivative)。

可压缩流与不可压缩流

所有流体某种程度上而言都是可压缩的,换言之,压力或温度的改变会造成流体密度的改变。然而,许多情况下,压力或温度改变所造成的密度改变相当微小,是可以被忽略的。此种流体可以用不可压缩流进行模拟,否则必须使用更普遍性的可压缩流方程式进行描述。

数学上而言,不可压缩性代表着流体流动时,其密度维持不变,换言之:其中,D / Dt为对流导数(convective derivative)。此条件可以简化许多描述流体的方程式,尤其是运用在均匀密度的流体。

对于气体要辨别是否具有可压缩性,马赫数是一个衡量的指标。概略来说,在马赫数低于0.3左右时,可以用不可压缩流的行为解释。至于液体,较符合可压缩流还是不可压缩流的性质,主要取决于液体本身的性质(特别是液体的临界压力与临界温度)和流体的条件(液体压力是否接近和液体临界压力)。 声学的问题往往需要引进压缩性的考量,因为声波算是可压缩波,其性质会随着传播的介质以及压力变化而改变。

黏性流与非黏性流

流体动力学 当流体内的阻力越大时,描述流体须考虑其黏性的影响。雷诺数可用来估算流体的黏性对描述问题的影响。所谓史托克流指雷诺数相当小的流动。在此情况,流体的惯性相较于黏性可忽略。而流体的雷诺数大代表流体流动时惯性大于黏性。因此当流体有很大的雷诺数,假设它是非黏性流,忽略其黏性,可当成一个近似。 这样的近似,当雷诺数大时,可得到很好的结果。即使在某些不得不考虑黏性的问题(例如边界问题)。在流体与管壁的边界,有所谓的不滑移条件,局部会有很大的速率应变率,使得黏性的作用放大而有涡度,黏性因而不可被忽略。 因此,计算管壁对流体的净力,需要使用黏性方程式。如同达朗白谬论的说明,物体在非黏性流里,不会感受到力。尤拉方程是描述非黏性流的标准方程式。在这种情况,一个常使用的模型,使用尤拉方程描述远离边界的流体,在接触的边界,使用边界层方程式。 在某一个流线上,将尤拉方程积分,可得到白努利方程。如果流体每一处都是无旋转涡动,白努利方程可描述整个流动。

稳定流与非稳定流

流体速度和压力随时间而改变的流动称为非稳定流。非稳定流的速度和压力不仅要考虑位置,同时也要考虑时间的影响。流体速度和压力均不随时间而改变的流动称为稳定流。

层流乱流

当流动由漩涡和明显的随机性所主导时,此种流动称为乱流。当乱流效应不明显时,则称为层流。然而值得注意的是,流动之中存在于漩涡不一定表示此流动为乱流──这些现象可能也存在于层流之中。数学上,乱流通常以雷诺分离法来表示,也就是乱流可以表示成稳定流与扰动部分的和。乱流遵守纳维-斯托克斯方程式。数值直解法(Direct numerical simulation,DNS),基于纳维-斯托克斯方程式可应用在不可压缩流,可使用雷诺数对乱流进行模拟(必须在电脑性能与演算结果准确性均能负荷的条件下)。而此数值直解法的结果,可以解释所得的实验资料。

然而,大部分我们有兴趣的流动都是雷诺数比DNS能够模拟的范围大上许多,即使电脑性能在接下来的数十年间持续发展,仍难以实行模拟。任何飞行交通工具,要足够能承载一个人(L >3 m)以72 km/h (20 m/s)的速度移动,此情况都远远在DNS能够模拟的范围之外(雷诺数为4百万)。像是空中巴士A300或波音747这类的飞行工具,机翼上的雷诺数超过4千万(以翼弦为标准)。为了能够处理这些生活上实际的问题,需要建立乱流模型。雷诺平均纳维-斯托克斯方程式(Reynolds-averaged Navier-Stokes equations) 结合了乱流的效果,提供了一个乱流的模型,将额外的动量传递表示由雷诺应力所造成;然而,乱流也会增加热传与质传速度。大涡数值模拟计算(Large eddy simulation,LES)也是一个模拟方法,外观与分离涡流模型(detached eddy simulation, DES)甚相似,是一种乱流模拟与大涡数值模拟计算的结合。

*文章为作者独立观点,不代表造价通立场,除来源是“造价通”外。
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