表征流并选择正确的界面

流体流参与许多工程应用。除了替代风隧道中实验的典型CFD模拟外，还必须在电子设备的冷却中或化学工业中考虑流动，在该化学工业中，在该化学工业中，反应物种是由液体运输的。Comsol Multiphysics为各种流动类型提供专用接口。我们什么时候应该使用层流要么湍流界面？

100万美元的问题：了解流的性质

流的性质非常复杂，管理方程式 -Navier-Stokes方程- 在数字上具有挑战性。

英国应用数学家，据报道，霍勒斯·兰姆爵士说：“我现在是一个老人，当我死去并去天堂时，我希望有两个事项。一种是量子电动力学，另一种是流体的湍流。关于前者，我真的很乐观。”

也许他很幸运，也得到了后者的答案，但是在地球上，它是其中之一黏土数学研究所的千年奖问题。如果您证明Navier-Stokes方程在三个维度上具有解决方案，并且该解决方案没有奇异性，则可以获得100万美元的奖励。证明将有助于我们理解湍流的性质，这仍然是CFD代码的最大挑战。

当然，大自然总是准备好解决方案，我们可以在天空中的云层，海浪和锅中的沸水中看到它。但是，我们还希望为我们的应用程序提供一个数值解决方案，以预测和优化其性能。为此，comsol多物理包含许多接口，这些接口求解了从navier-stokes方程得出的方程式，并且适合不同情况。

在这里，我们要清楚何时层流和湍流界面适合描述某些特征流模式。

表征流程

选择维度后，就流量模拟而言，要考虑的第一件事是您是否需要考虑温度变化。这决定了您是否选择非等温流接口，您可以将Navier-Stokes方程与传热方程式求解，或者可以忽略温度变化并仅求解Navier-Stokes方程。听起来很容易。要确定您现在是否需要选择其中一个湍流接口，或者是否足够层流方法，这并不那么容易。

雷诺数和流程度

技术应用主要涉及强迫流。流体是由泵或风扇之类的外部来源启动的，并以一定速度进入建模域。无量纲的数字有助于描述流动特性，而无需开始模拟。表征流程的无量纲数是雷诺数，描述了惯性与粘性力的比率：

在哪里\ rho是密度，你是特征速度，d是特征长度尺度，并且\亩是动态粘度。在这里，你可以看到\ mathrm {re}未明确定义。特征速度和长度尺度是什么？如果材料特性取决于温度怎么办？

在非常低的雷诺数字中，\ Mathrm {re} \ ll1，粘性力在惯性力上占主导地位。因此，后者可以在Navier-Stokes方程中忽略。为此，comsol多物理包含爬行流界面。另外，如果您有非等温流，则可以在“关联设置”窗口中激活“忽略惯性术语（Stokes Flow）”的选票框。

对于较高的雷诺数，但低于某些临界值，\ mathrm {re} _c（临界雷诺数），流是层流。多于\ mathrm {re} _c，它变得动荡。值\ mathrm {re} _c必须通过实验设置或每种配置的数值实验手动确定。幸运的是，这已经针对典型的工程应用了，可以在相关文献中找到。但是，即使您找到了\ mathrm {re} _c在文献中，从层流到动荡的过渡不是直接的，并且存在两个政权的过渡区。

在这种情况下，哪种方法不合适：层流还是湍流？

瑞利号码和自然对流

自然对流，流动是由浮力驱动的。通常，浮力是由于温度差异而产生的，但浓度梯度也可能是驱动机制。自然对流在地球科学中起着重要作用。在地球的外核中，自然对流创造了地球的磁场，在大气中，它决定了世界的气候。

由于自然对流（例如，在建筑物或电子设备中）引起的冷却通常是使用传热系数建模的，这些系数是通过实验或数值计算确定的。建模自由对流始终是传播热量和流动接口。因此，非等温流界面是一个不错的选择。

表征自由对流的无量纲数字称为瑞利数字，这是Grashof号码的产物，\ mathrm {gr}，粘性与浮力时间大小的比例和prandtl数字的平方，\ mathrm {pr}，导电与粘性时标的比率：

在哪里\α是热膨胀系数，\ delta t，温度差，和d现在是浮力活跃的层的高度。与雷诺数类似，还有一个关键的瑞利号码，\ mathrm {ra} _c。这里，\ Mathrm {ra} <\ mathrm {ra} _c意味着热量仅通过传导运输。在\ mathrm {ra} = \ mathrm {ra} _c，对流成为稳定层流方向上的主要传热过程。随着瑞利数量的增加，稳定的流动变得不稳定，最后是湍流。

不同配置中的流程度

现在，我们想讨论不同的流程度以及哪种界面和研究类型适合每种类型。

1.围绕气缸流动

随着雷诺数的增加，这种类型的流程会发展KármánVortex街，这是CFD验证没有温度变化的基准示例。围绕圆柱体流量的雷诺数使用圆柱体的直径作为特征长度，而材料特性则是恒定的（这对于其他障碍也相似）。在大量雷诺数字上，障碍物后面的流场会定期旋转涡流，如下示例所示。

固定速度场\ mathrm {re} \大约2。该流是真正的层流，并具有固定溶液。可以通过层流界面和固定研究。

时间依赖性速度场\ mathrm {re} \大约100为了7s。速度场的空间和时间变化。具有适当的网格和时间步长，可以通过层流界面和一项时间依赖性研究。

雷诺数的进一步增加将增加涡流的频率，并最终导致湍流。特别是在过渡方案中，出现3D不稳定性，必须通过3D层流界面解决。流动完全湍流后，您可以切换回2D并使用湍流接口。

2.壳管热交换器

这壳管热交换器是一种常见的热交换器类型，是具有强制对流的非等热流动的典型例子。水流过管侧，空气流过热交换器的外壳侧。两种材料都有依赖温度的特性，需要考虑用于计算雷诺数。试管内的特征长度是管直径，但是在入口和出口区域中，尚不清楚特征长度是多少。

当涉及到管子和挡板周围的空气流程时，同样尚不清楚。这些指导气流，从而增加了两种流体之间的热量。您可以参考文学，例如这个资源，查找示例计算，可以很好地估计\ mathrm {re}。

有趣的是，看到雷诺数在建模域上如何变化。在comsol多物理学中，您可以绘制\ mathrm {re}模拟后。为此，在表达场中添加了水结构域的3D音量图，然后输入nitf.u*nitf.rho*0.015 [m]/nitf.mu。然后，对于基于局部速度，密度和粘度的每个点，雷诺数以管道直径作为特征长度计算。在适用该长度尺度的情况下，雷诺数数量超过管道内部流量的临界值，并且足够高以至于流动湍流。

对于这种情况，我们使用稳定研究的湍流界面。这意味着我们不能解决可能出现的所有涡流的空间和时间相关行为。相反，我们计算一个平均速度场，通过其他变量考虑了涡流对热交换器性质的影响。

简化沿着管侧的速度场图。颜色表示雷诺数。

3.球形外壳中的自然对流

最后一个例子源自地球物理主题，并在球形外壳中处理浮力驱动的自然对流（无旋转）。当对流开始时，它首先形成固定对流单元（雷利 - 贝纳德细胞）。这增加了浮力，从而增加\ mathrm {ra}，导致这些细胞开始移动。最后，它们在较短的时间范围内打破了较小的涡流，占据了流动状态和湍流。

下面的动画显示了带有浮力的球形壳的自然对流。Navier-Stokes方程是用无量纲参数而不是材料属性定义的，而浮力则以瑞利数字表示。使用层次流动方法和时间依赖研究来解决该模型。

从线性温度曲线开始，浮力首先形成对称对流单元，但很快就获得了RA = 250的不对称速度和温度曲线。

结论

我们已经检查了不同的流程度，可以得出结论，并不总是很明显选择哪种流界面。如果无量纲的数字\ mathrm {re}要么\ mathrm {ra}明显的或大于其配置的临界值，选择是明确的。

对于经常在微流体设备中存在的真正层流流，您将选择层流界面。如果\ mathrm {re} \ ll 1，您应该选择爬行流界面。

许多工业应用都涉及高速度和较高的雷诺数字，在这种情况下，需要湍流界面。阅读我们以前的博客文章关于您应该选择哪种湍流模型的详细讨论。

毕竟，CFD模拟具有挑战性，流动的性质仍未完全理解。COMSOL软件提供了使用最新数值技术对所有流程进行建模的接口。我们的模型库中的示例（下面列出）可以帮助您了解哪个接口适合您的应用程序。

模型下载

• 通过层流显示自然对流：
  • 真空瓶的自然对流冷却
• 层流的自然对流：
  • 自由流体中的浮力流
    • 说明包含对无量纲参数及其对热行为的影响的详细说明
• 考虑自然和强迫对流的湍流：
  • 房间中空气的流离失所
• 湍流通过90度管道肘：
  • 管道肘