流体是CFD的研究对象,流体的性质及流动状态决定着CFD的计算模型及计算方法的选择,决定着流场各物理量的最终分布结果。
1.理想流体与粘性流体
粘性(viscocity)是流体内部发生相对运动而引起的内部相互作用。
流体静止时虽不能承受切应力,但在运动时,对相邻两层流体间的相对运动,即相对滑动速度却是有抵抗的,这种抵抗力称为粘性力。
粘性的大小依赖于流体的性质,并显著地随温度而变化。实验表明,粘性应力的大小与粘性及相对速度成正比。当流体的粘性较小(如空气和水),运动的相对速度也不大时,所产生的粘性应力比起其他类型的力(如惯性力)可忽略不计。此时,我们可以近似地把流体看成是无粘性的,称为无粘性流体(inviscid fluid),也叫做理想流体(perfect fluid)。而对于有粘性的流体,则称为粘性流体(viscous fluid)。真正的理想流体是不存在的,只是实际流体在某种条件下的一种近似模型[43]。
2.牛顿流体与非牛顿流体
根据内摩擦剪应力与速度变化率的关系不同,粘性流体又分为牛顿流体(Newtonian fluid)和非牛顿流体(non-Newtonian fluid)。
观察近壁面处的流体流动,可以发现,紧靠壁面的流体粘附在壁面上,静止不动。而在流体内部之间的粘性所导致的内摩擦力的作用下,靠近这些静止流体的另一层流体受迟滞作用速度降低,地表粗糙度和垂直风轮廓线就是很好的例子。
流体的内摩擦剪切力τ由牛顿内摩擦定律决定:
式中 n——沿法线方向的距离;
u——流体的流速;
所以,牛顿内摩擦定律表示:流体内摩擦应力和单位距离上的两层流体间的相对速度成正比。比例系数μ为流体的动力粘度,常简称为粘度。它的值取决于流体的性质、温度和压力大小。
若μ为常数,则称该类流体为牛顿流体;否则,称为非牛顿流体。空气、水等均为牛顿流体。聚合物溶液、含有悬浮颗粒杂质或纤维的流体为非牛顿流体[43]。
3.流体的热传导与扩散
除了粘性外,流体还有热传导(heat transfer)及扩散(diffusion)等性质。当流体中存在着温度差时,温度高的地方将向温度低的地方传递热量,这种现象称为热传导。同样地,当流体混合物中存在着组元的浓度差时,浓度高的地方将向浓度低的地方输送该组元的物质,这种现象称为扩散。(www.xing528.com)
流体的宏观性质,如扩散、粘性和热传导等,是分子输运性质的统计平均。由于分子的不规则运动,在各层流体间交换着质量、动量和能量,使不同流体层内的平均物理量均匀化,称为分子运动的输运性质。质量输运在宏观上表现为扩散现象,动量输运表现为粘性现象,能量输运则表现为热传导现象。
理想流体忽略了粘性,即忽略了分子运动的动量输运性质,因此在理想流体中也不应考虑质量和能量输运性质——扩散和热传导,因为它们具有相同的微观机制[43]。
4.可压缩流体和不可压缩流体
根据密度ρ是否为常数,流体分为可压缩(compressible)与不可压缩(incompressible)两大类。当密度ρ为常数时,流体为不可压缩流体,否则为可压缩流体。空气为可压缩流体,水为不可压缩流体。有些可压缩流体在特定的运动条件下,可以按不可压缩流体对待。有时,也称为不可压流动。
在可压缩的连续方程中含密度ρ,因而可把ρ视为连续方程中的独立变量求解,再根据气体的状态方程求出压力。不可压缩流体的压力场是通过连续方程间接规定的。由于没有直接求解压力的方程,不可压缩流体的流动方程的求解有特殊的困难[43]。
5.定常和非定常流动
根据流体流动的物理量(如速度、压力和温度等)是否随时间变化,将流动分为定常(steady)和非定常(unsteady)流动两大类。当流动的物理量不随时间变化时,为定常流动;当流动的物理量随时间变化时,为非定常流动。定常流动也称为恒定流动,或稳态流动;非定常流动也称为非恒定流动、非稳态流动或瞬态(transient)流动[43]。
6.层流与湍流
自然界中的流体流动状态主要有两种形式,即层流(laminar)和湍流(turbulence)。在许多中文文献中,湍流也被译为紊流。层流指流体在流动过程中两层之间没有相互掺混,而湍流是指流体不是处于分层的流动状态。一般来说,湍流是普遍的,而层流则属于个别情况,大气边界层内风就是湍流形式。
对于圆管内流动,定义雷诺数(Reynolds):
式中 u——流体流速;
ν——运动粘度;
d——管径。
当Re≤2300时,管流一定为层流;Re≥8000~12000时,管流一定为湍流;当2300<Re<8000,流动处于层流和湍流间的过渡区[43]。
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