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  3. 充分发展流的意义是什么?

充分发展流的意义是什么?

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  • 搬 离线
    搬 离线
    搬运工不好当
    写于 最后由 编辑
    #1

    在工程流体力学中,管内充分发展流是研究的热点问题,充分发展流表现在边界层的增厚和相遇。管内充分发展流动的具体工程意义体现在哪些方面?对流体宏观物理量(压力,温度,流量)的影响是什么?

    1 条回复 最后回复
  • 李东岳李 在线
    李东岳李 在线
    李东岳 管理员
    写于 最后由 编辑
    #2

    几个特征:

    • $\frac{\partial U}{\partial x}=0$,速度随x方向不变;

    • $\frac{\partial p}{\partial x}=C$常数;

    • 一般讨论的是充分发展的槽导流,管道流;

    • 可1维求解,非常快;

    因此,我“猜测”,充分发展流经常处于研究之中是因为其是1维的;

    http://dyfluid.com/index.html
    需要帮助debug算例的看这个 https://cfd-china.com/topic/8018

    C 1 条回复 最后回复
  • C 离线
    C 离线
    coolhhh 神
    在 中回复了 李东岳 最后由 编辑
    #3

    @李东岳 李老师,看了boundaryFoam解析,也提到了充分发展湍流特性,但我还是没太明白充分发展湍流为何是这种特性,主要疑问如下:
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    1. 对于充分发展的槽道湍流,瞬时的$\frac{\partial U(t)}{\partial x}$应该不等于0(因为流场为湍流,同个高度速度都有脉动值),这里的特征$\frac{\partial U}{\partial x}=0$中的速度是否指平均速度?

    1. 对于不可压缩流体,入口只施加平均风剖面速度(比如$U_x(z)$用对数率剖面,$U_y(z)=0$,$U_z(z)=0$)。之前算过这种工况的LES,结果是整个流场平均均按照自保持发展,基本没改变。对应的数学描述为:$\frac{\partial U_x(t)}{\partial x}=0$,$\frac{\partial p}{\partial x}=很小值$。另外再根据知乎帖子,这种平均风流动是否可称为充分发展剪切层流?

    知乎:流体力学 自由来流、自由剪切湍流、自由剪切流?
    1b674cae-fcdd-4253-9e76-89b0b04b6078-image.png


    1. 之前对湍流充分发展概念不理解,然后自己做了个猜想。把湍流发展类比于高中物理中的经典两个小球非弹性碰撞问题,湍流发展发生碰撞,碰撞就会产生力,力改变速度,接着发展趋向于使得两个碰撞物体平均速度(但瞬时速度不同)变为一致,最后脉动速度以相同平均速度向前发展形成充分发展湍流。
      (1)最后脉动速度以相同平均速度向前发展形成充分发展湍流,这正对应于泰勒冻结假设:湍流在顺风向以平均速度移动,且湍流在运动过程中没有发生形态的显著变化。
      (2)针对上面阐述,很容易产生疑问:充分发展时,湍流微元体在同个高度不同位置的速度不同,但为何都只是按照平均速度在输运?脉动速度对输运不起作用吗?针对这个问题尝试做的解释如下:
      ①x向的动量如下,大写字母表示合速度,小写表示脉动速度,脉动速度均值等于0
      f096befe-8ef2-4a7b-914b-5d7f762f20e9-image.png
      ②将式(2)代入式(1),并以移项得到式(3):
      75542f96-7dc9-46a6-be62-1e00fede4847-image.png
      ③当湍流充分发展,微元体受到的合力应该等于0(不引起速度改变),即式(3)右边项等于0。根据泰勒冻结假设,湍流形态没显著变化,对应剪切应力不变,因此充分发展的湍流场:$\frac{\partial p}{\partial x}=常数$,并由于空气的粘性很小,对应剪切力很小,因此$\frac{\partial p}{\partial x}=很小值$。这对应了风工程中研究大气边界层湍流风场生成方法,为何要求空风洞中的压力接近于很小值才合理。
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      ④因为充分发展流场按照泰勒冻结假设发展,这正对应于式(3)左边括号第一项等于0,即脉动速度物理量以平均速度输运:
      2d209be6-c659-4adc-99e4-3ff2d546bbd2-image.png
      ⑤那么最后式(3)左边括号第2项也应等于0。该项等于0,说明了不同脉动速度的输运会相互抵消,这解释了为何充分发展时,不同位置的瞬时速度不同,但都以平均速度输运。
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    1. 以上是困扰我很久的问题,针对自己疑问做的猜想,不知道合不合理,请各位大佬批评指正。总结一下猜想:三维充分发展湍流的特征是按照泰勒冻结假设方式发展,流场中压力梯度为很小值;瞬时脉动速度梯度不等于0:$\frac{\partial u}{\partial x}\neq 0, \frac{\partial u}{\partial y}\neq 0, \frac{\partial u}{\partial z}\neq 0 $
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  • 李东岳李 在线
    李东岳李 在线
    李东岳 管理员
    写于 最后由 编辑
    #4

    我写的第三点,是时均变量$\p /\p x=0$,这样的话,后面的问题是不是就不存在了

    http://dyfluid.com/index.html
    需要帮助debug算例的看这个 https://cfd-china.com/topic/8018

    C 1 条回复 最后回复
  • C 离线
    C 离线
    coolhhh 神
    在 中回复了 李东岳 最后由 编辑
    #5

    @李东岳 那理解了,谢谢李老师

    1 条回复 最后回复

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