【讨论】无粘流动的意义

onesupeng

在实际应用中，对于流体作用的预测精度要求越来越高，而边界层理论的应用以及数值技术的发展导致应用流体力学逐步往前推进。不过，作为曾经辉煌一时的无粘流动理论，目前到底起到一个什么作用，欢迎大家结合自己的实际研究和工程应用，发表看法。

[ 本帖最后由 onesupeng 于 2012-4-30 17:43 编辑 ]

onesupeng

我发现，在最近改版的若干教材，有人刻意弱化无粘流动的论述，有人强化其论述，可能这预示着什么。

milaoshu

个人认为，其实没有必要去看一些教材的论述，那些只是噱头。从工程实际来看，无粘流动的应用很广泛，所谓求解粘性ns方程多数只在科研领域，试想，对一个工程型号来讲，整天去求解ns方程对时间以及资源都是一种滞后，能用无粘的得出比较准确的结果，那么我们为什么不用呢？也难怪，我国的cfd就是这样一个怪圈，这个还没整明白就去搞那个，一味追求高，深，最后什么也搞不成，无粘流动的研究意义仍然重大，至少参考国外的一些做法，不难发现，它依然生机勃勃，活跃在工程应用中

onesupeng

原帖由 milaoshu 于 2012-5-1 02:44 发表

                               
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个人认为，其实没有必要去看一些教材的论述，那些只是噱头。从工程实际来看，无粘流动的应用很广泛，所谓求解粘性ns方程多数只在科研领域，试想，对一个工程型号来讲，整天去求解ns方程对时间以及资源都是一种滞后， ...

作为发展最完备、最成熟的一个流体力学分支，它在流体力学发展史上的意义和其广泛的应用不言而喻。

可是，什么样的工程问题使用传统无粘流理论就能很好的解决，而什么样的工程需要边界层理论？什么样的工程问题上述理论都无法很好的解决？

在无粘流理论能够“解决”的工程问题中，这种解决方案多大程度的接近真实解？优化设计中能够达到什么样的优化层次？

milaoshu

如果是工程研制的前期大概设计阶段，使用无粘理论的方法可以快速准确的得到理想的结果，或者可以使用更为简化全速势方法也能满足需要，如果是研究细节设计的分离层次的话，边界层理论就很重要了，那么深究到湍流尺度的层次，估计再深就得用量子流体力学了。无粘理论能够得到的解其实还是相当准确的，这要看你的需要了，在初期设计阶段，你需要的是整体的打开情况，而不是很细节的，那么这个用无粘理论是足够精确了

uesoft

我认为粘性可压缩流体方程组高速数值求解才是流体力学发展的方向。
我在工程中所使用的公式，主要是(水或蒸汽)粘性不可压缩(层流或湍流)流体力学的结果，少数是(汽轮机设计)无粘可压缩流体力学公式。
我认为流体力学若要得到发展，一要从机理上搞清流体与量子(粒子)之间的理论联系，二要开发快速的高精度数值求解器，求解析解并不是发展方向。当然，高速高精度数值求解器需要依赖流体力学或理论物理学的发展，也依赖于数学家和软件专家的贡献。
以上不当之处，请批评指正。

通流

这个问题还是不太说得清楚的。我的理解还是要从流动情况来定。也就是核心要理解流动，要懂流体力学。举个例子：机翼的特性。
如果没什么分离，那么压力分布可以用无粘的假设很好的计算出来。升力的绝大部分都是压力分布，那么升力特性就可以用无粘流来得到。
阻力特性是有压力和空气摩擦造成的，这时候，粘性就很重要了。
当攻角很大的时候，流动开始分离，这个分离就更粘性有关了。也就是说，在大攻角的情况下，即使压力分布，也需要有粘性。

onesupeng

原帖由 milaoshu 于 2012-5-1 04:40 发表

                               
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如果是工程研制的前期大概设计阶段，使用无粘理论的方法可以快速准确的得到理想的结果，或者可以使用更为简化全速势方法也能满足需要，如果是研究细节设计的分离层次的话，边界层理论就很重要了，那么深究到湍流尺度的层次，估计再深就得用量子流体力学了。无粘理论能够得到的解其实还是相当准确的，这要看你的需要了，在初期设计阶段，你需要的是整体的打开情况，而不是很细节的，那么这个用无粘理论是足够精确了

你这个整体而言还是泛泛而谈

比如“理想结果”、“满足要求”、“相当精确”、“足够精确”等，这不是一个科学的评述。

比如用机翼为例，上个世纪早期只考虑如何飞起来，用上面通流说的简单的无粘、无分离理论，贝努力方程即可大致估算升力，可能和实际升力有个6-70%的差异，尽管如此，其一些定性结果是正确的，比如攻角增大（小攻角时），升力变大等，它能够为机翼设计提供一定的参考价值。但是，如今的机翼再也不可能如此粗糙的计算。当然这并不是说它在机翼设计里面毫无用处，例如要改进一个翼型，可能会用无粘理论对局部特性做定性分析，然后提出一个构型A，然后根据实验、数值结果对A进行修正和改进，搞出B构型；进一步地，可能要将翼型应用于机身，并做整机模拟、整机风洞吹风和整机做强度拉压破坏等，再设计出C构型。至于A、B和C之间差异有多大，这是个问题。我提出这个讨论的目的，也就是想各路英雄根据自己的科研/工程工作经验，提出自己的感觉。

数值模拟也不像你说的一无是处，在求解固定边界可压缩方面的算法/程序国内外都比较成熟，尤其外流部分，已经比较广泛的应用于航天、航空设计中，当然离实际需要还有很长一段距离，比如超高声速、超然发动机内部燃料混合燃烧等。

[ 本帖最后由 onesupeng 于 2012-5-4 15:06 编辑 ]

onesupeng

原帖由 通流 于 2012-5-4 09:30 发表

                               
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这个问题还是不太说得清楚的。我的理解还是要从流动情况来定。也就是核心要理解流动，要懂流体力学。举个例子：机翼的特性。
如果没什么分离，那么压力分布可以用无粘的假设很好的计算出来。升力的绝大部分都是压力 ...

通流这个说得比较到点子

这也是为什么攻角略大时，原有设计失效导致很多事故，引起科学家注意的原因。这个动力有可能来源于二战的战机失事。

通流

还有一类例子。流动看起来是粘性很强的，或者说流场中的速度梯度很大。但有些主要的流动现象可以无粘很好的定量的解释。比如通道中的涡以及二次流。

milaoshu

我只是按照我的现在所能搜集到的一些信息谈谈我自己的理解，如果有错误还望海涵，欢迎批评指正 。我并没有觉得数值模拟不好，恰恰相反 我觉得如果没有数值模拟的话 很多事情现在根本无法想象，我的意思是真正的数值模拟很普遍的应用现在来看还是很有前途的，但是，相比于国外的一些研究使用，国内的cfd研究未免显得急功近利了些，比如我知道的，现在庞巴迪设计飞机用的还是很原始现在在我们国内几乎是古董级的方法，所以说，真正的用好不在方法多先进，而在于是不是对现象有了很客观的认识，这样即使是无粘流动，那又怎么会没有生命力呢？

onesupeng

原帖由 通流 于 2012-5-6 10:14 发表

                               
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还有一类例子。流动看起来是粘性很强的，或者说流场中的速度梯度很大。但有些主要的流动现象可以无粘很好的定量的解释。比如通道中的涡以及二次流。

具体点？是不是和KH不稳定差不多的例子？

通流

最简单的二次流是非均匀流动在弯管中的行为，以及河流底部的泥沙运动。不均匀流动的起因一般都跟粘性有关。但是一旦非均匀流动已经形成，有时候他们的行为就可以用无粘流动来解释了。下面是普朗特的书里面的一页。

通流

这是一个叶轮机械方面的例子。叶轮机械的叶尖涡的流动是比较复杂的。这个搞这一行的人都知道。叶轮机械的端壁流动是相当复杂的，流动的速度梯度大，掺混不可忽略。就是这样一个复杂的流动，无粘的方法仍然可以用。这是一个用无粘流动来计算叶尖涡的行为。计算出来的涡的轨迹几乎跟实验一样。
顺便留个问题。为什么叶尖涡在离开叶片通道后，突然变向？

通流

这是整篇文章。

文章中的方法的思路是用二维非定常流动来模拟三维定常流动。这样的思路对于理解一些带流线方向的涡的现象是很有用的。