CFD边界层厚度计算的精确方法

关键要点

• 紧靠地表，有一个低速区。边界层厚度计算为从该表面到速度为 99% 自由流的点的距离。
• 边界层厚度计算的复杂性因结构几何形状和流动性质而异。
• 使用 CFD 求解器分析边界层厚度有助于系统优化以提高效率。

从玻璃杯中倒水时，您可能会注意到靠近表面的水层移动速度比其余体积液体慢。这是因为速度受流体和玻璃表面之间的摩擦力的影响。靠近表面，形成边界层。这种行为在各种流动中都可以观察到——例如，当风吹过飞机机翼或当水与水翼船接触时。问题在于该边界层的厚度以及它如何影响流动和流体系统设计。

CFD 模拟使边界层分析更容易，即您可以可视化流速和压力分布，计算 CFD 中的边界层厚度，并优化流体系统以获得最大效率。

边界层厚度

边界层是指在流动过程中靠近接触表面存在的薄层流体。边界层的形成可以归因于表面和流体之间存在摩擦。摩擦减慢了正常的流体流动速度，并形成了一个低速区——边界层。因此，边界层也可以通过速度的逐渐过渡来表征。

随着流体远离表面移动，速度的增加变得明显——从表面的零速度到自由流速度。从流体粒子速度为零的表面到速度达到 99% 自由流的点的距离称为边界层厚度。通常，边界层厚度增加如下：

• ➡流体粒子速度降低
• ➡表面粗糙度增加
• ➡流体粘度增加

边界层厚度的公式在很大程度上取决于流动是层流还是湍流。让我们考虑在平板上流动的流体。在层流边界层中，流动平稳且摩擦较小。在这种情况下，可以使用 Blasius 解决方案计算边界层厚度：

δ 是边界层厚度

x是平板的长度

Re 是雷诺数

湍流可能与表面粗糙度过高、流动随机性和强度增加有关。因此，CFD 中边界层厚度的计算可以简单地作为一个估计值。这是使用以下公式完成的：

在 CFD 中，边界层厚度计算在许多空气动力学和流体动力学应用中起着至关重要的作用。它们可用于分析：

• 机翼经历的阻力和升力
• 从表面到流体的传热速率
• 流动稳定性和过渡
• 流体系统性能和效率

使用 CFD 分析求解边界层厚度

CFD 是进行详细流场分析（即边界层厚度、速度剖面、压力分布等）的关键分析工具。这些参数对流体系统的设计和性能具有重要意义。CFD 使用Navier-Stokes 方程进行流体流动和边界层分析的数值模拟。可能涉及以下步骤：

1. 在计算域中，选择合适的层流/湍流模型。检查湍流建模中的 y+ 要求。
2. 生成精细网格或网格并定义 3D 模型的几何形状以进行边界层分析。将 Navier-Stokes 方程分配并求解到每个网格，以准确捕获边界层厚度。
3. 指定流体流动的初始条件和边界条件。这包括定义速度、温度、表面粗糙度、传热系数以及壁、入口或出口处的其他物理特性。
4. 求解边界层厚度。通常，这是达到 99% 自由流速度的点。用其他实验或分析结果验证边界条件。

通过使用 CFD 对边界层厚度进行适当的模拟和精确分析，可以深入了解流体行为和边界层效应。

通过边界层厚度分析提高流体系统性能

正确的 CFD 工具可以准确模拟和分析边界层厚度，以帮助设计人员了解流体流动行为并优化系统以获得最大效率。系统设计人员可以利用 Cadence 的 CFD 工具来计算定义流动剖面和边界层效应的控制方程。通过参考高保真模拟和边界层厚度计算的结果，CFD 求解器支持设计变更，以最大限度地减少阻力并提高飞机、风力涡轮机和船舶等流体工程结构的性能。

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