本節(jié)書摘來(lái)自異步社區(qū)《FLUENT 14流場(chǎng)分析自學(xué)手冊(cè)》一書中的第1章，第1.2節(jié)，作者：張惠 , 康士廷著，更多章節(jié)內(nèi)容可以訪問(wèn)云棲社區(qū)“異步社區(qū)”公眾號(hào)查看

1.2 流體運(yùn)動(dòng)的基本概念

FLUENT 14流場(chǎng)分析自學(xué)手冊(cè)
本節(jié)簡(jiǎn)要介紹流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念，這些概念都是有關(guān)流體運(yùn)動(dòng)的最基本的術(shù)語(yǔ)，讀者有必要了解一下。

1.2.1 層流流動(dòng)與紊流流動(dòng)
當(dāng)流體在圓管中流動(dòng)時(shí)，如果管中流體是一層一層流動(dòng)的，各層間互不干擾、互不相混的，這樣的流動(dòng)狀態(tài)稱為層流流動(dòng)。當(dāng)流速逐漸增大時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸向運(yùn)動(dòng)外，還有垂直于管軸向方向的橫向流動(dòng)，即層流流動(dòng)已被打破，完全處于無(wú)規(guī)則的亂流狀態(tài)，這種流動(dòng)狀態(tài)稱為紊流或湍流。流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化（從層流到紊流）時(shí)的流速稱為臨界速度。

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與相似理論證實(shí)，流動(dòng)狀態(tài)不僅取決于臨界速度，而是由綜合反映管道尺寸、流體物理屬性、流動(dòng)速度的組合量—雷諾數(shù)來(lái)決定的。雷諾數(shù)Re定義為：

式中，d為管道直徑，V為平均流速，μ為動(dòng)力黏性系數(shù)。

由層流開始轉(zhuǎn)變到紊流時(shí)所對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)稱為上臨界雷諾數(shù)，用 $\operatorname{Re} _{cr}^' $ 表示；由紊流轉(zhuǎn)變到層流所對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)稱為下臨界雷諾數(shù)，用Recr表示。通過(guò)比較實(shí)際流動(dòng)的雷諾數(shù)Re與臨界雷諾數(shù)，就可確定黏性流體的流動(dòng)狀態(tài)。

（1）當(dāng)Re

在工程應(yīng)用中，取Recr=2000。當(dāng)Re<2000時(shí)，流動(dòng)為層流運(yùn)動(dòng)，當(dāng)re>2000時(shí)，流動(dòng)為紊流運(yùn)動(dòng)。

實(shí)際上，雷諾數(shù)反映了慣性力與黏性力之比，雷諾數(shù)越小，表明流體黏性力作用越大，能夠減弱引起紊流流動(dòng)的擾動(dòng)，保持層流狀態(tài)；雷諾數(shù)越大，表明慣性力對(duì)流體的作用越明顯，易使流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生紊流流動(dòng)。

1.2.2 有旋流動(dòng)與無(wú)旋流動(dòng)
有旋流動(dòng)是指流場(chǎng)中各處的旋度（流體微團(tuán)的旋轉(zhuǎn)角速度）不等于零的流動(dòng)，無(wú)旋流動(dòng)是指流場(chǎng)中各處的旋度都為零的流動(dòng)。流體質(zhì)點(diǎn)的旋度是一個(gè)矢量，用ω表示，其表達(dá)式為：

若ω=0，則稱流動(dòng)為無(wú)旋流動(dòng)，否則為有旋流動(dòng)。

流體運(yùn)動(dòng)是有旋還是無(wú)旋，取決于流體微團(tuán)是否有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與流體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)關(guān)。流體流動(dòng)中，如果考慮黏性，由于存在摩擦力，這時(shí)流動(dòng)為有旋流動(dòng)；如果黏性可以忽略，而流體本身又是無(wú)旋流，如均勻流，這時(shí)流動(dòng)為無(wú)旋流動(dòng)。例如均勻氣流流過(guò)平板，在緊靠壁面的附面層內(nèi)，需要考慮黏性影響。因此，附面層內(nèi)為有旋流動(dòng)，附面層外的流動(dòng)，黏性可以忽略，因此可視為無(wú)旋流動(dòng)。

1.2.3 聲速與馬赫數(shù)
聲速是指微弱擾動(dòng)波在流體介質(zhì)中的傳播速度，它是流體可壓縮性的標(biāo)志，對(duì)于確定可壓縮流的特性和規(guī)律起著重要作用。聲速表達(dá)式的微分形式為：

當(dāng)聲音在氣體中傳播時(shí)，由于在微弱擾動(dòng)的傳播過(guò)程中，氣流的壓強(qiáng)、密度和溫度的變化都是無(wú)限小量，若忽略黏性作用，整個(gè)過(guò)程接近可逆過(guò)程，同時(shí)該過(guò)程進(jìn)行得很迅速，又接近一個(gè)絕熱過(guò)程，所以微弱擾動(dòng)的傳播可以認(rèn)為是一個(gè)等熵的過(guò)程。對(duì)于完全氣體，聲速又可表示為：

式中，k為比熱比，R為氣體常數(shù)。

上述公式只能用來(lái)計(jì)算微弱擾動(dòng)的傳播速度。對(duì)于強(qiáng)擾動(dòng)，如激波、爆炸波等，其傳播速度比聲速大，并隨波的強(qiáng)度增大而加快。

流場(chǎng)中某點(diǎn)處氣體流速V與當(dāng)?shù)芈曀賑之比稱為該點(diǎn)處氣流的馬赫數(shù)，用Ma表示，其表達(dá)式為：

馬赫數(shù)表示氣體宏觀運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與氣體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能（即內(nèi)能）之比。當(dāng)Maleqslant0.3時(shí)，密度的變化可以忽略，當(dāng)Ma>0.3時(shí)，就必須考慮氣流壓縮性的影響。因此，馬赫數(shù)是研究高速流動(dòng)的重要參數(shù)，是劃分高速流動(dòng)類型的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)Ma>1時(shí)，為超聲速流動(dòng)，當(dāng)Ma<1時(shí)，為亞聲速流動(dòng)，當(dāng)ma≈1時(shí)，為跨聲速流動(dòng)，當(dāng)ma>3時(shí)，為超高聲速流動(dòng)。超聲速流動(dòng)與亞聲速流動(dòng)的規(guī)律有本質(zhì)的區(qū)別，跨聲速流動(dòng)兼有超聲速與亞聲速流動(dòng)的某些特點(diǎn)，是更復(fù)雜的流動(dòng)。

1.2.4 膨脹波與激波
膨脹波與激波是超聲速氣流特有的重要現(xiàn)象，超聲速氣流在加速時(shí)要產(chǎn)生膨脹波，減速時(shí)一般會(huì)出現(xiàn)激波。

當(dāng)超聲速氣流流經(jīng)由微小外折角所引起的馬赫波時(shí)，氣流加速，壓強(qiáng)和密度下降，這種馬赫波就是膨脹波。超聲速氣流沿外凸壁流動(dòng)的基本微分方程表達(dá)式為：

當(dāng)超聲速氣流繞物體流動(dòng)時(shí)，在流場(chǎng)中往往出現(xiàn)強(qiáng)壓縮波，即激波。氣流經(jīng)過(guò)激波后，壓強(qiáng)、溫度和密度均突然升高，速度則突然下降。超聲速氣流被壓縮時(shí)一般都會(huì)產(chǎn)生激波，所以激波是超聲速氣流中的重要現(xiàn)象之一。按照激波的形狀，可將激波分為以下3類。

（1）正激波：氣流方向與波面垂直。

（2）斜激波：氣流方向與波面不垂直。例如，當(dāng)超聲速氣流流過(guò)楔形物體時(shí)，在物體前緣往往會(huì)產(chǎn)生斜激波。

（3）曲線激波：波形為曲線形。

設(shè)激波前的氣流速度、壓強(qiáng)、溫度、密度和馬赫數(shù)分別為v 1，p 1，T 1，ρ 1和Ma，經(jīng)過(guò)激波后突然增加到v 2，p 2，T 2和ρ 2，則激波前后氣流應(yīng)滿足以下方程。

據(jù)此，可得出激波前后參數(shù)的關(guān)系：

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的《FLUENT 14流场分析自学手册》——1.2 流体运动的基本概念的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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