一、層流與紊流簡介

　　流體在管內(nèi)流動時，其質(zhì)點沿著與管軸平行的方向作平滑直線運動。此種流動稱為層流或滯流，亦有稱為直線流動的。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。管內(nèi)流體的平均流速與最大流速之比等于0.5，根據(jù)雷諾實驗，當雷諾準數(shù)Re<2100時，流體的流動狀態(tài)為層流。

　　紊流是指流體從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀態(tài)變化過程中的一種無序狀態(tài)。具體是指流體流動時各質(zhì)點間的慣性力占主要地位，流體各質(zhì)點不規(guī)則地流動。

　　紊流一般相對“層流”而言。一般用雷諾數(shù)判定。雷諾數(shù)小，意味著流體流動時各質(zhì)點間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動，呈層流流動狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流流動狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)Re<2000為層流狀態(tài)，Re>4000為紊流狀態(tài)，Re=2000～4000為過渡狀態(tài)。在不同的流動狀態(tài)下，流體的運動規(guī)律.流速的分布等都是不同的，因而管道內(nèi)流體的平均流速與最大流速的比值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動特性。

　　研究層流和紊流判斷多借助試驗進行分析，分析過程比較繁瑣。借助ANSYS中的FLOTRAN CFD分析功能，可以很輕松地解決層流和紊流問題。

　　ANSYS軟件中的FLOTRAN CFD分析功能是一個用于分析二維和三維流體流動場的先進工具，使用FLOTRAN CFD分析中的FLUID 141和FLUID 141單元，可以解決如下問題：

　　1)作用于氣動翼型上的升力和阻力;

　　2)超音速噴管中的流場;

　　3)彎管中流場的復(fù)雜三維流動;

　　同時FLOTRAN還具有以下功能：

　　1)計算發(fā)動機排氣系統(tǒng)中氣體的壓力和溫度分布;

　　2)研究管路系統(tǒng)中熱的層化和分離;

　　3)使用混合流研究來評估熱沖擊的可能性;

　　4)用自然對流分析來估計電子封裝中芯片的熱性能;

　　5)對含有多種流體的熱交換器進行研究;

　　二、FLOTRAN的分析類型：

　　(一)層流或湍流分析

　　層流中速度場都是平滑而有序的，高粘性流體(如石油等)的低速流動通常是層流。

　　湍流分析用于處理那些速度足夠高，黏性足夠低而引起的湍流波動的流體的流動情況，ANSYS中的二次湍流模型可用來模擬平均流動下湍流速度波動的影響。

　　(二)傳熱或絕熱分析

　　流體分析中常常會要求解流場中的溫度分布情況，如果流體性質(zhì)不隨溫度改變，就可不解溫度方程而使流場收斂。在共軛傳熱中，要在同時包含流體和非流體的整個區(qū)域上求解溫度方程。在自然對流傳熱中，流體由于溫度分布不均勻性而導(dǎo)致流體密度分布的不均勻性，從而引起流體的流動，對強迫對流問題不同是：自然對流一般沒有外部流動源。

　　(三) 可壓縮或不可壓縮流體分析

　　對于高速氣流，由很強的壓力梯度而引起的流體密度的變化將顯著的影響流體性質(zhì)，對此種流動情況要使用本分析方法進行處理。

　　(四) 牛頓流或非牛頓流分析

　　應(yīng)力與應(yīng)變率之間呈線性關(guān)系的這種理論不足以解釋很多流體的流動，對于這種非牛頓流體，軟件提供三種黏性模型和一個用戶自定義子程序供用戶使用。

　　(五) 多組分傳輸分析

　　這種分析一般是用于研究有毒流體性質(zhì)的稀釋或大氣中污染氣體的傳播情況，同時，也可以用于研究含有多種流體同時存在相互被固體分開的熱交換分析。三、FLOTRAN的分析步驟作總結(jié)：

　　1)確定問題的分析區(qū)域

　　讀者必須先確定分析問題的明確范圍，將問題的邊界設(shè)置在條件已知的地方，如果并不知道精確的邊界條件而必須作出假定時，就不要將邊界條件設(shè)在靠近感興趣區(qū)域的地方，也不要將邊界設(shè)在求解變化梯度大的地方。

　　2)確定流體狀態(tài)

　　需要估計流體的特征，流體的特征是流體性質(zhì)，邊界幾何以及流場的速度幅值函數(shù)。大多數(shù)情況下，近似認為流體性質(zhì)是常數(shù)，即不隨溫度變化，都可以得到足夠精確的解。

　　可用馬赫數(shù)來判斷流體是否可壓縮。流場中任意一點的馬赫數(shù)是該點的流體速度與該點的音速的比值，當馬赫數(shù)大于0.3時，就應(yīng)該考慮用可壓縮算法來進行計算。

　　3)生成有限元網(wǎng)格

　　如果用了湍流模型，靠近壁面區(qū)域的網(wǎng)格密度必須要比層流模型密得多。

　　4)施加邊界條件

　　可在劃分網(wǎng)格之前或之后對模型施加邊界條件，此時要將模型的所有邊界條件考慮進去。

　　5)設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù)

　　為了使用諸如湍流模型或求解溫度方程時，讀者必須激活它們。

　　6)求解

　　7)查看結(jié)果

　　四、實例

　　以下是一個典型的工程實例，圖1是一個二維的導(dǎo)流管模型，判斷流體在導(dǎo)流管中的流動情況。

　　圖1

　　分析時假定進口速度均勻，并且垂直于進口流場方向上的流體速度為0。在所有壁面上施加無滑移邊界條件，即所有速度分量都為0，假定流體不可壓縮，在出口處施加的速度邊界條件出口方向上速度為2 m/s，管內(nèi)流體為空氣。

　　空氣密度：1.205 kg/m3;空氣黏性：1.8135e-5 kg/m .s;進口速度：20 m/s;出口速度：2m/s。

　　邊界條件施加完成后的整個模型如圖2。

　　圖2

　　圖3

　　圖4

　　圖3是分析完成后，導(dǎo)流管中流體的速度矢量圖，從圖中可以非常清楚地看到：流體(空氣)在這種型號的導(dǎo)流管中會發(fā)生湍流現(xiàn)象，流體速度分布是隨機的。圖4顯示的是靠近導(dǎo)流管出口處的速度分布圖，從這張圖中也可以清楚看到，流體確實已經(jīng)發(fā)生湍流。