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标题: CFD 边界层问题 [打印本页]

作者: dongpo04 时间: 2010-8-20 11:15
标题: CFD 边界层问题
别人的帖子，挺好的，大家共享一下。

我用的是Fluent，简单提示一些做CFD的共通原则，可能有用：

1。算算雷诺数Re，看看是不是湍流，是complete turbulence 还是 transient turbulence（查Moody diagram）。
2。根据Re，计算Kolmogorow microscales。
3。根据Kolmogorow microscales，计算turbulent dissipation rate (epsilon)。
4。计算turbulent kinetic energy k，你可以假设一个turbulent intensity，比如1-5%。对于管道流体，安静的流体1%，2-3%中等，5%剧烈的湍流。这个需要有点经验数据。
5。估计实际流体的边界层厚度量级，可以用平板公式。如果你的流体是complete turbulence并且你不关心drag/lift force，也不关心近管壁处的流体，那么可以不用边界层，同时在管壁上采用可滑动边界条件。不过一定要注意，这时你的解只在远离管壁的区域准确。如果是LES求解，则最好加上边界层。如果是动态问题，比如vortex shedding，如果没有边界层有时shedding不会发生。
6。如果采用velocity inlet 或 pressure inlet，需要裂纹前留足够的长度，以便流体达到fully development。建议20Dh以上，如果困难，可以在velocity inlet指定velocity profile，同时缩短上游距离。最起码也要留够5Dh。
7。裂纹后也需要留足够长度。具体多长不好说，需要试算。只要出口流体接近均一就可。
8。出口可以采用pressure outlet 或者 outlfow，具体用哪个需要看出口的物理意义。入口的turbulence level可以采用上面计算的值。
9。如果出口入口都是fully developed flow，也可以采用periodic boundary conditions。然后设置mass flow rate。这样上游就不用保留很长距离了。
10。初始化的时候，流速采用平均流速，turbulence level采用上面计算的值。
11。裂纹有没有空气进入？混合气体我没做过，没有经验，不瞎指挥。
12。求解器，开始可以用k-e求稳态解。然后再转为瞬态解。
13。瞬态解可以用k-e，也可以用LES 或者DES。k-e是准动态（quasi-steady state），LES是真实的瞬态。如果只关心流体的统计指标，比如turbulent intensity，或者变化较慢的指标，k-e就可以。如果关心瞬时动态指标，比如局部区域快速变化的流速，压力，drag force等，最好用LES 或者DES。
14。如果采用k-e steady state，采用默认的残差就可以。算到收留为止。如果500步不收敛，说明可能有问题。如果5000步不收敛，说明肯定有问题。至少模型不够好。
15。前面忘了网格。定义边界层的时候一定要保证边界层网格总厚度超过实际边界层厚度，否则算出来的结果好看不好用，边界层边缘处的turbulent intensity将会大大超过合理值。边界层网格的第一层，厚度要合适，需要满足一定的y+值。如果用k-e算法 + standard wall fucntion, y+=30；如果采用k-e算法 + enchanced wall fucntion，y+=4~5；如果采用LES，y+=1。y+得值在求解前只能估计数量级，准确值需要求解后才能知道，所以试运算是必需的。网格划分可以采用hex，wedge，ansys 有一种六边形网格，据说很好，不过我没用过，不知情。据说ansys 的网格生成器比gambit强。如果网格不好划分，应当把结构切成许多小块，分块划分。
16。松弛因子先用初始值，如果收敛有问题再调整。如果你初始化合理，一般没有问题。
17。比热在材料属性里。导电系数没用过，不知道。
18。总的来说就是需要设置好多东西才能算，如果上面的工作你都做了，还是不能算，那也是可以理解的。。。
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再补充两点：

a。需要考虑流体是不可压缩还是可压缩。如果不关心声波传导，任何一处的流速远远低于声速，没有shock wave，不考虑热交换，则可以看作不可压缩。不可压缩流体可用基于压力的求解器。可压缩流体可以采用基于密度的求解器。
b。瞬态求解器的时间步长设定根求解器和你所关心的现象有关。如果是k-e，则只要保证步长小于所关心的最高频率的周期的1/2，当然最好是1/10，否则可能会有aliasing 问题。如果是LES，还需要考虑收敛问题。步长太大不收敛。可用步长应该接近Kolmogorow microscales给出的时间量。

作者: dongpo04 时间: 2010-8-20 11:16
再补充两点：

a。需要考虑流体是不可压缩还是可压缩。如果不关心声波传导，任何一处的流速远远低于声速，没有shock wave，不考虑热交换，则可以看作不可压缩。不可压缩流体可用基于压力的求解器。可压缩流体可以采用基于密度的求解器。
b。瞬态求解器的时间步长设定根求解器和你所关心的现象有关。如果是k-e，则只要保证步长小于所关心的最高频率的周期的1/2，当然最好是1/10，否则可能会有aliasing 问题。如果是LES，还需要考虑收敛问题。步长太大不收敛。可用步长应该接近Kolmogorow microscales给出的时间量。

作者: dongpo04 时间: 2010-8-20 11:19
边界层科技名词定义
中文名称：边界层英文名称：boundary layer 其他名称：附面层定义1：由于流体的黏滞性，在紧靠其边界壁面附近，流速较势流流速急剧减小，形成的流速梯度很大的薄层流体。所属学科：电力(一级学科) ；通论(二级学科) 定义2：高雷诺数的流体绕固体流动时，在壁面附近形成的黏性流体薄层。所属学科：航空科技(一级学科) ；飞行原理(二级学科) 定义3：黏性流体流经固体边壁时，在壁面附近形成的流速梯度明显的流动薄层。所属学科：水利科技(一级学科) ；水力学、河流动力学、海岸动力学(二级学科) ；水力学（水利）(三级学科)

作者: dongpo04 时间: 2010-8-20 11:20
边界层（boundary layer）是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层，又称流动边界层、附面层。这个概念由近代流体力学的奠基人，德国人Ludwig Prandtl于（普朗特）1904年首先提出。从那时起，边界层研究就成为流体力学中的一个重要课题和领域。在边界层内，紧贴物面的流体由于分子引力的作用，完全粘附于物面上，与物体的相对速度为零。

作者: dongpo04 时间: 2010-8-20 11:20
]简介
　　由物面向外，流体速度迅速增大至当地自由流速度，即对应于理想绕流的速度，温度边界层一般与来流速度同量级。因而速度的法向垂直表面的方向梯度很大，即使流体粘度不大，如空气、水等，粘性力相对于惯性力仍然很大，起着显著作用，因而属粘性流动。而在边界层外，速度梯度很小，粘性力可以忽略，流动可视为无粘或理想流动。在高雷诺数下，边界层很薄，其厚度远小于沿流动方向的长度，根据尺度和速度变化率的量级比较，可将纳维-斯托克斯方程[1]简化为边界层方程。求解高雷诺数绕流问题时，可把流动分为边界层内的粘性流动和边界层外的理想流动两部分，分别迭代求解。边界层有层流、湍流、混合流，低速（不可压缩）、高速（可压缩）以及二维、三维之分。由于粘性与热传导紧密相关，高速流动中除速度边界层外，还有温度边界层.

作者: dongpo04 时间: 2010-8-20 11:21
边界层的发展
　　十九世纪末叶，流体力学这门科学开始沿着两个方向发展，而这两个方向实际上毫无共同之处，一个方向是理论流体动力学，它是从无摩擦、无粘性流体的Euler运动方程出发发展起来的，并达到了高度完善的程度。然而，由于这种所谓经典流体动力学的结果与实验结果有明显的矛盾——尤其是关于管道和渠道中压力损失这个非常重要的问题以及关于在流体中运动物体的阻力问题——所以，它并没有多大的实际意义。正因为这样，注重实际的工程师为了解决在技术迅速发展中所出现的重要问题，自行发展了一门高度经验性学科，即水力学。水力学以大量的实验数据为基础，而且在方法上和研究对象上都与理论流体动力学大不相同。　　本世纪初，L.Prandtl因解决了如何统一这两个背道而驰的流体动力学分支而著称于世。他建立了理论和实验之间的紧密联系，并为流体力学的异常成功的发展铺平了道路。就是在Prandtl之前，人们就已经认识到：在很多情形下，经典流体动力学的结果与试验结果不符，是由于该理论忽略了流体的摩擦的缘故。而且，人们早就知道了有摩擦流动的完整的运动方程（Navier-Stokes方程）。但是，因为求解这些方程在数学上及其困难（少数特殊情况除外），所以从理论上处理粘性流体运动的道路受到了阻碍。此外，在两种最重要的流体，即水和空气中，由于粘性很小，一般说来，由粘性摩擦而产生的力远小于其它的力（重力和压力）。因为这个缘故，人们很难理解被经典理论所忽略的摩擦力怎么会在如此大的程度上影响流体的运动。　　在1904年Heidelberg数学讨论会上宣读的论文“具有很小摩擦的流体运动”中，L.Prandtl指出：有可能精确地分析一些很重要的实际问题中所出现的粘性流动。借助于理论研究和几个简单的实验，他证明了绕固体的流动可以分成两个区域：一是物体附近很薄的一层（边界层），其边界层的发展中摩擦起着主要的作用；二是该层以外的其余区域，这里摩擦可以忽略不计。基于这个假设，Prandtl成功地对粘性流动的重要意义给出了物理上透彻的解释，同时对相应的数学上的困难做了最大程度的简化。甚至在当时，这些理论上的论点就得到一些简单实验的支持，这些实验是在Prandtl亲手建造的水洞中做的。因此他在重新统一理论和实践方面迈出了第一步。边界层理论在为发展流体动力学提供一个有效的工具方面证明是极其有成效的。自20世纪以来，在新近发展起来的空气动力学这门学科的推动下，边界层理论已经得到了迅速的发展。在一个很短的时间内，它与其他非常重要的进展（机翼理论和气体动力学）一起，已成为现代流体力学的基石之一。

作者: dongpo04 时间: 2010-8-20 11:21
边界层厚度
　　边界层内从物面（当地速度为零）开始，沿法线方向至速度与当地自由流速度U 相等（严格地说是等于0.990或0.995U）的位置之间的距离，记为 δ 。由绕流物体头部（前缘）起，边界层厚度从零开始沿流动方向逐渐增厚。位移厚度的涵义是，边界层内的流体受到阻滞，因而通过的流量减小，相当于理想绕流中外流从物面上向外推移了一个距离，绕流物体的形状变成原几何形状再加位移厚度。动量损失厚度的涵义是，流体在边界层内损失的动量，相当于按层外自由流速度计算时，这个动量所占的流体层厚度。仍以平板边界层为例，层流边界层有 δ*≈δ／3和θ≈0.13δ，湍流边界层有δ*＝δ／8和θ＝0.097δ。

作者: dongpo04 时间: 2010-8-20 11:21
边界层分离
　　边界层流动从物体表面脱离的现象。二维边界层分离有两种情况，一是发生在边界层分离光滑物面上，另一是发生在物面有尖角或其他外形中断或不连续处。光滑物面上发生分离的原因在于，边界层内的流体因克服粘性阻力而不断损失动量，当遇到下游压力变大（即存在逆压梯度）时，更需要将动能转变为压力能，以便克服前方压力而运动，这种情况越接近物面越严重。因此边界层内法向速度梯度越接近物面下降越甚，当物面法向速度梯度在某位置上小到零时，表示一部分流体速度已为零，成为“死水”，边界层流动无法沿物面发展，只能从物面脱离，该位置称为分离点。分离后的边界层在下游形成较大的旋涡区；但也可能在下游某处又回附到物面上，形成局部回流区或气泡。尖点处发生边界层分离的原因在于附近的外流流速很大，压强很小，因而向下游必有很大的逆压梯度，在其作用下，边界层即从尖点处发生分离。三维边界层的分离比较复杂，是正在深入研究的课题。边界层分离导致绕流物体压差阻力增大、飞机机翼升力减小、流体机械效率降低、螺旋桨性能下降等，一般希望避免或尽量推迟分离的发生；但有时也可利用分离，如小展弦比尖前缘机翼的前缘分离涡可导致很强的涡升力。

作者: dongpo04 时间: 2010-8-20 11:21
边界层控制
　　控制边界层发展，影响其结构，从而控制边界层转捩或分离的技术，其目的一大气边界层动力学般是减小绕流物体阻力或增加飞行器的举力。经常采用以下几种控制方法：①采用良好或可变的物面形状，使边界层尽量处于有利的顺压梯度下，避免出现过早或过大的逆压梯度。②降低物面粗糙度。③采用吹气或引射方法增加边界层气流的动量，或将边界层底部低动量流体吸除，均可避免分离。④通过扰流作用（如安装扰流片等），使层流边界层变成湍流边界层，提高其抗分离能力。边界层控制在工程技术上已有重要应用，如在航空器的翼面上采用层流翼型，配置边界层吹除、吸除系统，使用喷气衿翼等；在流体机械上，采用边界层控制的叶片等。

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