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流體流動(dòng):動(dòng)量、質(zhì)量和能量守恒公式詳解

 人老顛東 2021-01-22

流體流動(dòng)描述

如今,我們可以使用各種數(shù)學(xué)模型來描述流體運(yùn)動(dòng),不僅如此,還可以使用許多工程相關(guān)模型來分析一些特殊情況。然而,最完整、最準(zhǔn)確的描述方法當(dāng)屬偏微分方程(PDE)。舉例來說,流場可以通過質(zhì)量、動(dòng)量和總能量的平衡來表征,這種平衡用連續(xù)性方程、納維-斯托克斯方程以及總能量方程進(jìn)行描述:
(1)
這些數(shù)學(xué)模型方程的解可以給出建模域中流體的速度場 、壓力 p 以及溫度 T。
一般來說,這一方程組能夠描述微流體裝置中的蠕動(dòng)流、換熱器中的湍流,甚至是噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)周圍的超聲速流等各種流動(dòng)。但是,針對下圖中的噴氣式飛機(jī)等情況求解方程(1)并不可行;另一方面,盡管可以對微流體裝置求解整個(gè)方程(1),但工作量非常大。鑒于此,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的主要研究方向是如何恰當(dāng)?shù)剡x擇方程(1)的近似方程,實(shí)現(xiàn)以合理的計(jì)算成本得到精確的分析結(jié)果。

SR71 超音速噴氣機(jī)。噴出的氣體形成鉆石型激波,這是超音速流動(dòng)的典型特征。圖片來自美國國家航空航天局(NASA)德萊頓飛行研究中心(Dryden Flight Research Center)的公共領(lǐng)域。

連續(xù)介質(zhì)假設(shè)和稀薄氣體流動(dòng)

流動(dòng)方程(方程(1))基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè),即:流體可以看作連續(xù)體,而不是單個(gè)分子的集合。分子效應(yīng)顯著的流動(dòng)則稱為稀薄氣體流動(dòng),其稀薄程度用克努森數(shù)來度量:
(2)   
其中, 是分子平均自由程,L 是流動(dòng)幾何的典型長度尺度,如通道寬度。
克努森數(shù)小于 10-3 的流動(dòng)均可視為連續(xù)流。液體和一般情況下的氣體一樣,幾乎總是可以看作連續(xù)體。對于低壓下的氣體或限制在狹小域中的氣流,分子間相互作用的頻率可能和分子與壁(限制流動(dòng))相互作用的頻率相同,對于此類系統(tǒng),我們必須使用稀薄氣體流動(dòng)方程(或者至少使用克努森邊界條件)來描述流體流動(dòng)。

牛頓流體和非牛頓流體

流體的一大特點(diǎn)在于其具有黏度,這種黏性效應(yīng)通過黏性應(yīng)力張量  來表征。我們生活中最常見的流體(例如水、氣體和酒精等)都是牛頓流體,其特點(diǎn)是流體中的黏性應(yīng)力與偏應(yīng)力張量成正比:
(3)  
不過,也有許多流體并不遵守方程(3)中的簡單關(guān)系。這種流體稱為非牛頓流體,可以表現(xiàn)出各種特性。非牛頓流體的例子包括血液、涂料、某些潤滑劑、化妝品、食品(比如蜂蜜、番茄醬、果汁和酸奶等),以及水中的沙子或懸浮在水中的淀粉等各種懸浮液。
蜂蜜就是一個(gè)非牛頓流體的例子。

不可壓縮流體流動(dòng)

如果一種流體的密度變化非常小,即 ,那么該流體可視為不可壓縮 流體。液體(溫度變化明顯的情況除外)以及中等壓力和溫度變化的氣體都屬于這種流體。如果我們可以忽略黏性耗散導(dǎo)致的發(fā)熱(稱為黏性加熱),并假設(shè)流體為牛頓流體,則方程(1)可以簡化為:
(4)     
方程(4)中的方程是著名的納維-斯托克斯方程,以法國物理學(xué)家納維和愛爾蘭物理學(xué)家斯托克斯的名字命名。納維首先推導(dǎo)出了這組方程,但斯托克斯首次對黏性項(xiàng)背后的物理機(jī)制給出了解釋,這一方程組因此而得名。
在某些情況下,第一個(gè)方程,即連續(xù)性方程,也包含在納維-斯托克斯方程中。由上式可以看出,能量方程已改寫成溫度方程,使后續(xù)計(jì)算簡便了很多。在不可壓縮流動(dòng)的黏度與溫度無關(guān)的情況下,與納維-斯托克斯方程完全解耦的溫度方程可用于求解不可壓縮流動(dòng)。
對于具有恒定黏度和密度的流體的流動(dòng),納維-斯托克斯方程的解可以給出流速和壓力場。如果需要得到溫度場相關(guān)信息,則可以單獨(dú)求解溫度。
浮力是一個(gè)重要的物理現(xiàn)象,它與密度變化有著本質(zhì)的關(guān)系。通過在動(dòng)量方程中引入浮力作為動(dòng)量源/匯,方程(4)還可用于模擬浮力效應(yīng)。
即使是密度不恒定的情況,也可以使用納維-斯托克斯方程,并在動(dòng)量方程中引入浮力效應(yīng)作為動(dòng)量源/動(dòng)量匯。舉例來說,浮力會使雪茄的煙霧向上流動(dòng)。

雷諾數(shù)

流體流動(dòng)的核心概念是雷諾數(shù),其定義為:
(5)   
其中,U 是典型的速度尺度,L 是典型的長度尺度。
在沒有體積力的情況下,如果密度和黏度均恒定,則我們可以推導(dǎo)納維-斯托克斯方程(方程(4)中間的表達(dá)式)的無量綱形式,得到:
(6)  
其中  表示壓力水平。
從方程(6)可知,雷諾數(shù)用于度量黏性應(yīng)力的相對重要性。低雷諾數(shù)意味著流動(dòng)完全由黏性效應(yīng)控制,而當(dāng)雷諾數(shù)非常高時(shí),流動(dòng)基本上接近無黏性狀態(tài)。
請注意,特定的流型可能使用多種雷諾數(shù)來表征,例如,通道流可能基于通道半寬或通道全寬;速度既可以是平均速度,也可以是最大速度。由此可見,知道哪個(gè)長度尺度和速度尺度與特定的雷諾數(shù)相關(guān)非常重要,在比較相似流型的雷諾數(shù)時(shí)尤其如此。

斯托克斯流

雷諾數(shù)非常低的流動(dòng)稱為蠕動(dòng)流。比如,在微流體系統(tǒng)(如下方所示的微混合器)或潤滑系統(tǒng)中可能產(chǎn)生這種流動(dòng)。
斯托克斯方程常用于模擬微流體中的流動(dòng),如本例微混合器中的流動(dòng)。
在  限制下的流動(dòng)稱為斯托克斯流。通常,斯托克斯流支持隨時(shí)間變化和變材料屬性,但經(jīng)典斯托克斯流描述的是不可壓縮準(zhǔn)靜態(tài)條件下的流動(dòng):
(7)  
這個(gè)方程組以愛爾蘭物理學(xué)家喬治·加布里埃爾·斯托克斯的名字命名,他首次使用這些方程描述了黏性動(dòng)量傳遞。在能量方程中保留哪些項(xiàng)取決于流體,其中對流項(xiàng)通??梢院雎圆挥?jì),壓力功的作用也可以忽略不計(jì)。而有時(shí)候,分析黏性發(fā)熱對于斯托克斯流很有意義,例如,在軸承和其他潤滑應(yīng)用中。

湍流

在湍流中,雷諾數(shù)用于度量慣性效應(yīng)而非黏性效應(yīng)的重要性。只要雷諾數(shù)不太大,黏性效應(yīng)就會抑制流場中的擾動(dòng),這種流動(dòng)稱為層流。由于黏度會使任何足夠小的流動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生耗散,因此求解層流方程(例如方程(4))通常是可行的。
雷諾數(shù)越高,慣性效應(yīng)相比于黏性效應(yīng)就越占主導(dǎo)地位。當(dāng)雷諾數(shù)足夠高時(shí),任何小擾動(dòng)都會在平均流動(dòng)量的作用下發(fā)生增長,從而引發(fā)新的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象稱為過渡。
完成過渡的流動(dòng)稱為湍流,典型特征是,看上去像混亂的渦流,其長度尺度范圍非常大,大渦流幾乎可以大到占據(jù)整個(gè)計(jì)算域,而小的耗散渦流則可能小到微米尺度。如此大的尺度范圍意味著,在合理的計(jì)算成本下,使用純納維-斯托克斯方程能夠模擬的湍流非常有限。對于一些非常簡單的流動(dòng),我們可以執(zhí)行直接數(shù)值仿真(DNS),但需要大量的計(jì)算資源。
為了在無需訪問超級計(jì)算機(jī)的情況下就能計(jì)算流場和壓力場,我們通常采用近似湍流模型。各種湍流模型制定了不同類型的守恒表達(dá)式可用于平均意義上的湍流,例如,這些小渦流可能具有的動(dòng)能守恒(稱為湍流動(dòng)能)。湍流動(dòng)能等守恒屬性用于對黏度產(chǎn)生額外貢獻(xiàn),稱為渦流黏度。這種渦流黏度可以增大動(dòng)量的黏性傳遞,從而模擬我們無法求解的小尺度渦流傳遞的動(dòng)量。
工程中最常用的湍流模型是雷諾平均納維-斯托克斯模型(RANS 模型),其中模擬的物理量為時(shí)均量,引入一個(gè)物理量來描述其中的脈動(dòng)量,通常稱之為雷諾應(yīng)力。不可壓縮流動(dòng)的 RANS 方程為:
(8) 
其中,符號上的橫線 表示平均量,撇 表示離均差。
舉例來說,未過濾速度可以寫為 。通過比較方程(8)和方程(4)中的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程可知,這些方程是相同的,只是在方程(8)中,未過濾量已替換為過濾量,并且沒有時(shí)間導(dǎo)數(shù)(這是因?yàn)槲覀儗Ψ匠踢M(jìn)行了時(shí)間平均),但包含一個(gè)附加項(xiàng) ,該項(xiàng)是雷諾應(yīng)力張量,表示湍流脈動(dòng)對過濾速度場和壓力場的影響。
我們可以為雷諾應(yīng)力張量中的項(xiàng)制定輸運(yùn)方程。通過對這些方程進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕图僭O(shè),可以得到雷諾應(yīng)力模型。盡管這些模型的功能強(qiáng)大,但處理起來往往有一定的難度;此外,即使計(jì)算成本遠(yuǎn)低于 DNS,但對于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用而言,仍然過于昂貴。
最常用的替代方法是假設(shè)湍流作為附加的黏性效應(yīng),可以寫為 ,其中  是湍流黏度,也稱為渦流黏度。渦流黏度模型包括工業(yè)應(yīng)用中使用最廣泛的模型,例如 k-ε、k-ω、剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)湍流模型以及 Spalart-Allmaras 湍流模型。
另一類湍流模型求解小空間區(qū)域的平均湍流,而不是湍流隨時(shí)間的變化情況。這就形成了一種低通濾波器,用于過濾掉小于某個(gè)長度尺度的渦流。采用這種方式,我們可以求解大尺度湍流渦,并且必須對小尺度渦的影響進(jìn)行建模,因此這一方法稱為大渦模擬(LES)。不可壓縮 LES 的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程采用相同的形式:
(9)  
方程(9)與方程(8)相同,只是包含時(shí)間導(dǎo)數(shù)。此外, 項(xiàng)是亞格子應(yīng)力(SGS)張量,表示亞格子尺度對求解尺度的影響。常用的 SGS 張量模型是 Smagorinsky-Lilly 模型。
LES 通常比 RANS 更精確,但必須始終在三維模式下進(jìn)行瞬態(tài)仿真,即使流動(dòng)本質(zhì)上是二維的也是如此。除此之外,為了建立有效的 SGS 模型,通常需要使用非常高的分辨率,這意味著,只有在最先進(jìn)的 RANS 模型也無法捕捉流動(dòng)的基本特征時(shí)才需要使用 LES。
太陽能電池板周圍風(fēng)作用引起的湍流。低雷諾數(shù) RANS 湍流模型可用于計(jì)算面板在風(fēng)載荷作用下受到的作用力。

馬赫數(shù)

馬赫數(shù)定義為:
(10)  
其中 c 表示聲速。
馬赫數(shù)用于測量流體相對于壓力波的流動(dòng)速度。當(dāng)馬赫數(shù)較小時(shí),即 ,壓力波速度非???,可以有效降低到滿足質(zhì)量守恒約束。通過設(shè)置 ,可以在形式上滿足方程(4)中的不可壓縮流動(dòng)公式。隨著馬赫數(shù)接近 1,也就是當(dāng)流速接近聲速時(shí),還必須考慮壓力波的影響。在這些情況下,黏性加熱通常也很重要,如此一來,我們必須求解方程(1),其中給出了連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程的完整方程組。方程(1)中的所有項(xiàng)都很重要的流動(dòng)有時(shí)稱為可壓縮黏性流動(dòng)。
高馬赫數(shù)流動(dòng)的雷諾數(shù)通常也較高,因?yàn)閮烧叨寂c流速成正比。因此,我們通常使用湍流模型對方程(1)進(jìn)行補(bǔ)充,以考慮傳熱的動(dòng)量渦流擴(kuò)散的渦流擴(kuò)散系數(shù)。方程(1)與其湍流模型之間的耦合往往非常強(qiáng)。
通過 k-ε 湍流模型建模的完全可壓縮湍流。我們可以看到由壓力激波(鉆石型激波)引起的速度場的菱形圖案。

無黏流動(dòng)和歐拉方程

對于中等壓力下、流速接近和高于聲速的氣體流動(dòng),分子黏度和渦流黏度對動(dòng)量傳遞的貢獻(xiàn)通??梢院雎圆挥?jì)。在這種情況下,模型方程描述動(dòng)量守恒(無黏性項(xiàng))、質(zhì)量守恒和能量守恒。由于我們不考慮渦流黏度,因此不需要湍流模型。
在能量方程中,與黏性動(dòng)量傳遞具有類比關(guān)系的是傳導(dǎo)傳熱。事實(shí)上,在氣體中,黏度形成機(jī)理也適用于導(dǎo)熱系數(shù),動(dòng)量傳遞的渦流擴(kuò)散系數(shù)也用于計(jì)算傳熱的渦流擴(kuò)散系數(shù)。因此,在可以忽略黏性動(dòng)量傳遞的情況下,我們通??梢院雎阅芰糠匠讨械膫鲗?dǎo)傳熱。
適用于無黏流動(dòng)且導(dǎo)熱系數(shù)可忽略的守恒方程通常稱為歐拉方程,以首先提出這些方程的瑞士著名數(shù)學(xué)家歐拉的名字命名。歐拉方程的形式為:
(11)  
超聲速流遇到翼形障礙物時(shí)形成壓力激波,激波在壁面發(fā)生反射;這是一個(gè)高馬赫數(shù)流動(dòng)基準(zhǔn)問題,求解歐拉方程。

多相流

動(dòng)量、質(zhì)量和能量守恒方程也可用于多相流體流動(dòng),例如,氣相和液相組成的多相流,或者油和水等兩種不同液相組成的多相流。
最詳細(xì)的多相流建模方法是采用表面跟蹤方法,例如水平集方法或相場法。在這些模型中,表面張力等各相之間的相互作用作為動(dòng)量方程中的源或匯引入,位于跟隨不同相之間的邊界、且厚度非常小的薄層上,從而可以詳細(xì)計(jì)算相邊界的形狀和位置。這意味著,動(dòng)量和質(zhì)量守恒方程可以與一組具有給定值(等值面)的水平集或相場函數(shù)的輸運(yùn)方程組合在一起,用于描述相邊界的位置。
描述表面跟蹤兩相流模型的經(jīng)典基準(zhǔn)模型。請注意,在非常短的時(shí)間內(nèi),較重的流體在晃動(dòng)過程中會附著在頂壁,產(chǎn)生附著的原因是因?yàn)榇嬖诒砻鎻埩Α?/span>
當(dāng)相邊界由數(shù)百萬個(gè)液滴或氣泡組成時(shí),或者相邊界的形狀細(xì)節(jié)非常復(fù)雜時(shí),我們無法通過計(jì)算跟蹤其形狀;此時(shí),我們必須進(jìn)行某種均勻化處理,將存在的不同相視為具有平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)的物理場。我們不再詳細(xì)跟蹤相邊界的形狀,而是將各相之間可能發(fā)生的相互作用作為流體混合物各處定義的動(dòng)量源和匯引入。此外,在兩相流情況下,動(dòng)量和質(zhì)量守恒方程可以與其中一個(gè)相的體積分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程相結(jié)合;對于三相流,這兩個(gè)守恒方程可以與兩個(gè)輸運(yùn)方程相結(jié)合。當(dāng)兩相之間存在較大的密度差時(shí),我們甚至必須為流體域各處定義的每個(gè)相分別制定動(dòng)量方程。
對于存在氣泡的液體,使用氣泡流模型等分散流模型可以很好地表示均勻兩相流。對于油和水等液-液溶液,我們可以使用更為復(fù)雜的模型,如多相流混合物模型。
液-液萃取塔模型。繪圖顯示油的體積分?jǐn)?shù)。較重的水溶液從塔頂環(huán)形入口流入,油相從塔頂圓形出口排出。
對于氣體中密度差非常大的許多固體顆粒,我們常常需要為分散的固體顆粒和氣相制定動(dòng)量方程。為每個(gè)相定義動(dòng)量方程的模型通常稱為 Euler-Euler 多相流模型,該名稱源自于這樣一個(gè)事實(shí):兩種相均由歐拉法描述為連續(xù)體。
當(dāng)顆粒足夠少時(shí),另一種選擇是使用顆粒跟蹤方法來描述分散相。這種方法稱為歐拉-拉格朗日方法,其中采用歐拉法描述連續(xù)體(如流體),采用拉格朗日法描述顆粒。歐拉-拉格朗日方法的優(yōu)勢在于,屬性可以與每個(gè)顆粒關(guān)聯(lián),但隨著顆粒數(shù)的增加,該方法耗費(fèi)的計(jì)算資源會變得非常大。
采用表面跟蹤方法的分離多相流模型(左)與分散多相流模型(右)的區(qū)別。在表面跟蹤方法中,φ = 0 的場 φ 的等值面表示相邊界。在分散多相流模型中,我們僅得到了氣泡或液滴的體積分?jǐn)?shù),而相邊界的細(xì)節(jié)則作為平均體積力。            

多孔介質(zhì)流

如果我們能夠詳細(xì)描述多孔結(jié)構(gòu),包括所有表面結(jié)構(gòu)和表面屬性,我們就可以照常使用動(dòng)量和質(zhì)量守恒方程,并在孔隙壁上定義無滑移條件,或者,當(dāng)平均孔隙寬度與分子相互作用的尺度具有相同數(shù)量級時(shí),定義克努森條件。
然而,大多數(shù)情況下,我們無法在多孔結(jié)構(gòu)的宏觀模型中描述數(shù)以百萬計(jì)的孔隙彎曲和結(jié)構(gòu)。因此,多孔介質(zhì)流動(dòng)模型通常采用均勻化處理,從而將多孔結(jié)構(gòu)中的流體域和多孔基體域定義為具有平均孔隙率、迂曲度和滲透率等平均屬性的平板。動(dòng)量方程則變?yōu)檫_(dá)西定律,以首次提出此定律的法國工程師的名字命名。達(dá)西定律可以通過剪切項(xiàng)進(jìn)行擴(kuò)展,形成 Brinkman 方程,該方程以荷蘭物理學(xué)家 H.C. Brinkman 的名字命名。
流體流經(jīng)多孔顆粒的情況,左圖詳細(xì)描述了模型結(jié)構(gòu),右圖為相應(yīng)的均相模型。

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