【小白的CFD之旅】06 流体力学基础

2017-01-18 by:CAE仿真在线来源:互联网

从黄师姐那里了解到要学习CFD的话,需要先补充流体力学、数学以及计算机方面的常识,小白就一阵头大。想起当初自己已经把牛皮吹出去了,现在都不知道怎么收场,一个月入不了门多丢人。不过头大归头大,小白还是老老实实在图书馆呆了一个星期,基本上将流体力学基础过了一遍,虽然说学得很粗糙,但一些基本原理还是有了了解。。

流体力学基础内容:

1.流体属性

连续介质假定:需要了解"宏观上无穷小、微观上无穷小"的概念以及knudsen数的定义方式。

\[K_n=\frac{\lambda}{L}\]
其中,\(\lambda\)为分子自由程,\(L\)为系统长度尺度。\(K_n\)越大,意味着流体越稀薄。

流体密度:流体密度反映的是流体微团的平均密度。
流体粘度:反映剪切应力与应变之间的关系。

根据流体属性可将流体分为不同的类型:

稀薄流体
可压缩流体和不可压缩流体
牛顿流体与非牛顿流体
粘性流体与理想流体

2.流体静力学

流体静力学:几乎所有的流体力学参考资料上都会包含有流体静力学方面的内容,这些内容说到底也就是一个流体静止条件下压力分配的问题。
在学习流体静力学过程中,需要掌握的概念包括:

静力学基本方程
\[z+\frac{p}{\rho g}=c\]
流体压力只与深度有关,与方向无关,同一深度位置压力相等。
绝对压力与相对压力
表压

3.流体动力学

流体动力学研究流体流动状态下压力速度分布,主要包括两大块的内容:

3.1 伯努利方程

\[p_0+\rho gh_0+\frac{1}{2}\rho v_0^2=p_1+\rho gh_1+\frac{1}{2}\rho v_1^2\]
或
\[p_0+\rho gh_0+\frac{1}{2}\rho v_0^2=c\]
在学习伯努利方程时,需要搞清楚几个关于压力的概念:

静压:即式中的\(p_0\)
动压:即式中的\(\frac{1}{2}\rho v_0^2\)
总压:静压与动压的和称之为总压。

3.2 流动阻力计算

流动阻力包含沿程阻力与局部阻力。

3.2.1 沿程阻力
对于管道流动,其沿程阻力可通过范宁公式计算:
\[h_f=\lambda \frac{l}{d} \frac{u^2}{2}\]
式中,\(l\)为管道长度,\(d\)为管道内径,\(\lambda\)为阻力系数。
对于阻力系数\(\lambda\),层流和湍流状态下计算方式不同:
层流状态下:
\[\lambda=\frac{64}{Re}\]
其中雷诺数\(Re=\frac{ud\rho}{\mu}\)
湍流状态下
对于光滑管道,可用伯拉修斯经验方程
\[\lambda = \frac {0.3164}{Re^ \left(0.25\right)}\]
对于粗糙管道,阻力系数可查莫迪图。

3.2.2局部阻力

\[h_f = \xi \frac{u^2}{2}\]
式中,\(\xi\)为阻力系数,不同设备的阻力系数需要通过实验测定。