流体与流动基本特性及流体建模方法

gravitation

1.流体与流动基本特性
1.1理想流体和黏性流体
黏性是指流体内部发生相对运动而引起的内部相互作用。流体在静止时虽不承受切应力，对相邻两侧流体间的相对运动（相对滑动）却是有抵抗的，这种抵抗能力成为黏性应力。黏性的大小取决于流体性质，并随温度变化而显著变化。当黏性较小时（如空气和水），运动的相对速度也不大时，所产生的黏性应力相比其他类型的力可忽略不计，此时，可以近似的把流体看成无黏性的，成为理想流体。
真实的理想流体在客观实际中是不存在的。
在FLUENT中，可以通过顺次打开“Define” →“Models”
→“Viscous…”,在定义粘性模型面板中，通过选择其中的Inviscid实现
理想流体的数值模拟。
如果粘性不能忽略，则是粘性流体，此时所求解的控制方程组就
是Navie-Stokes方程组。

1.2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，黏性流体又分为牛顿流体和非牛顿流体。观察近壁面处得流体流动，可以发现紧靠壁面的流体黏附在壁面上，静止不动。而靠近静止流体的另一层流体则在流体黏性所导致的内摩擦力作用下，速度降低

1.3流体的热传导和扩散
除了黏性外，流体还有热传导和扩散等性质。当流体中存在温度差时，热量将由温度高的地方向温度低的地方传递，这种现象称为热传导。同样当流体中存在着某种成分的浓度差时，该成分将由浓度高的地方向浓度低的地方输运，这种现象称为扩散。黏性、热传导和扩散等都是流体的宏观性质，实质上是分子输运性质的一种统计平均。由于分子的不规则运动，在各层流体间存在质量、动量和能量的交换，使得不同流体层内的物理量均匀化，这种性质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，动量输运表现为黏性现象，能量输运则表现为传导现象。
理想流体忽略了黏性，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该考虑质量和能量的输运性质——扩散和传导，因为它们有相同的微观机理。

1.4可压流体与不可压流体
根据密度 是否为常数，可将流体分为可压和不可压两大类。
当密度 为常数时，流体为不可压流体，否则为可压流体。有些可压缩流体在特定流动条件下，可以按不可压流体处理。在可压流体的连续方程中含有密度 ，因而可把密度是为连续方程中的独立变量进行求解，再根据气体的状态方程求出压力。不可压流体的压力场是通过连续方程间接描述的，由于没有直接求解压力的方程，不可压流体的流动方程的求解有其特殊的困难。

1.5定常流与非定常流
根据流体流动的物理量（如速度、压力、温度等）是否随时间变化，可将流体分成定长流和非定长流两大类，当物理量不随时间变化。

1.6.层流与湍流
自然界中的流体流动状态主要有两种形式，即层流和湍流湍流也称为紊流。层流是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出于分层流动状态。一般说来，湍流是普遍的，而层流则属于特殊情况。

2.流体建模方法
在微观层次上，可以在分子量级上采用Hamilton方程描述微观分子的运动，但现阶段直接求解Hamilton方程是不切合实际的，常采用分子动力学模拟方法等数值手段研究流体的运动。分子动力学模拟方法能够很好的满足质量守恒、动量守恒和能量守恒，但由于需对每一个分子的状态都进行求解，该方法的计算量十分巨大，对内存的要求很高。目前分子动力学模拟方法仅用于少量非常简单的流动现象模拟。
在宏观层次上，将流体视为连续介质，以流体密度、速度、压力等物理量为基本变量，建立描述流体运动的宏观方程（即Navier-Stokes方程）来研究流体的运动规律。Navier-Stokes方程为强非线性的偏微分方程，很难求其解析解，常采用有限差分、有限体积、有限元等离散方法对其进行离散，得到代数方程组，通过一定数值方法求解代数方程组获得数值解。有限差分法、有限体积法和有限元等宏观流体力学计算方法是最早发展起来的用于研究流体运动规律的数值方法。与微观数值方法相比，这些方法具有计算量小的优点，但也仍存在一些较难克服的问题，如物理量的守恒性较差。数值稳定性问题则是这些方法普遍存在的另一重要问题

此外，还可以在介于宏观尺度和微观尺度之间的介观尺度上研究流体的运动，具体而言就是采用Boltzmann方程描述介观粒子的运动。Boltzmann方程是一个比Navier-Stokes方程更复杂的积分-微分方程，采用解析方法直接求解Boltzmann方程是不现实的。在这种情况下，格子方法（包括格子Boltzmann方法、格子气自动机等）成为数值求解介观尺度上流体运动的计算方法。其中，格子Boltzmann方法是介观数值方法中最成功的一种，它将连续的Boltzmann方程在规则的正交网格上进行离散化，使虚拟的介观粒子沿正交的网格线运动，采用粒子的碰撞和迁移模拟流体的运动。格子Boltzmann方法兼有宏观数值方法和微观数值方法的优点，它不但满足质量守恒、动量守恒和能量守恒，而且计算量也较小。因此，格子Boltzmann方法越来越受到人们的关注和重视