基础理论：判别流动基本特征

weixin

我一直对流体的各种形态特别的混淆：瞬态还是稳态、可压还是不可压、单相还是多相等。难处在于，有一些计算流体力学跟经典流体力学的概念并不完全一致，还有一些虽然知道差别，但不知道针对实际问题如何去界定（或简化）。

理想流体与粘性流体

流体在运动时，相邻的两层流体间会相对运动，从而产生类似“层间滑动摩擦力”的阻力，称之为粘性应力。实际流体都是有粘度的，粘性大小依赖于流体的性质并受到温度的显著影响。对于CFD而言，空气和水等粘性较小的流体在运动相对速度较小时，可以视为理想流体，即无粘流体。事实上，当粘性应力显著地小于其他类型的力（如惯性力）时，便有理由忽略粘性。

层流与湍流（紊流）

一般来说，层流指流体在流动过程中两层之间没有相互掺混。CFD中湍流的数值模拟是最重要的问题之一，绝大多数情况下采用求解模型（而非直接求解控制方程）的方法来解决。与其他流动状态的判别一样，在CFD实践中，并不是必须要从客观上知道流动究竟处于层流还是湍流状态，而是如果湍流的存在并不对求解结果产生显著影响，便可以认为是层流的。

Tips：虽然从定义上讲，湍流和层流的区分是基于“粘性流体”的，只有粘性流体我们才讨论层流湍流，对于理想流体不讨论（如果你用过Fluent，会发现湍流模型被放置在“粘性”菜单里）。然而，无粘流动有没有湍流？似乎并没有定论。无粘流动可以失稳，失稳之后会不会真的发展到湍流呢？对粘性流动是肯定的。而对无粘流动，我个人的理解是它由于本身是一种假设，跟实际存在的湍流间是有矛盾的。

牛顿流体与非牛顿流体

前面谈到的剪切应力，如果它的大小正比于法向距离上速度的变化率（剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系）：

这个叫做牛顿内摩擦定律，系数μ 称为动力粘性系数（或称动力粘度、粘度），符合这一规律的流体叫做牛顿流体。常见的空气、水等均为牛顿流体。

可压缩与不可压缩

故名思意，可以压缩的流体密度是可以改变的，即ρ 不是常数。大多数情况下气体被认为是可压缩流体，液体为不可压缩流体。

Tips：对于计算流体力学而言，可压缩流体可以通过求解连续性方程和状态方程得到压力和密度，而不可压缩流动则无法直接求解压力。可见，常量比不见得比变量更加简单。

定常 (稳态) 与非定常 (非稳态/瞬态)

流动状态如果不随时间变化，即速度、压力、温度等物理量对时间的导数为0，则为定常流动。客观的世界每时每刻都在变化，所以说，定常流也是一种理想状态。我们要不要把流动问题简化为定常流，取决于流场随时间的变化大不大，以及我们是否关注这一变化。

例如，我们计算一条河的流动状态，这条河可能一天到晚流的样子都差不多，就没必要从早算到晚，而是只需要算个与时间无关的流场，并且认为它一直都是这么流，就可以了。

然而，如果河上游的水库突然开闸放水了，那么肯定有那么一段时间，河流状态发生着显著的变化，而一段时间之后，流态又会趋于稳定。

单相与多相

物理常识中物质的“相态”一般包括固体、气体、液体。常规来讲，气体和液体属于流体范畴，因此“多相流”很容易理解为气、液两相流。实际上，CFD中互不相溶的两种液体，如油和水在一起的流动，也归类为多相流。此外，固体或液体小颗粒，如果处于气体或液体中参与流动，也属于特殊的两相流问题，如细水雾、煤粉。而体积较大的固体与流体的共同作用，如漂浮在水面上的木块儿的运动，则一般不属于CFD的应用范围。

来源：CFD小学微信公众号（ID：gh_6d80bfd4cd47）