基于ANSYS的流體流動狀態分析

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　　一、層流與紊流簡介

　　流體在管內流動時，其質點沿著與管軸平行的方向作平滑直線運動。此種流動稱為層流或滯流，亦有稱為直線流動的。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。管內流體的平均流速與最大流速之比等于0.5，根據雷諾實驗，當雷諾準數Re<2100時，流體的流動狀態為層流。

　　紊流是指流體從一種穩定狀態向另一種穩定狀態變化過程中的一種無序狀態。具體是指流體流動時各質點間的慣性力占主要地位，流體各質點不規則地流動。

　　紊流一般相對“層流”而言。一般用雷諾數判定。雷諾數小，意味著流體流動時各質點間的粘性力占主要地位，流體各質點平行于管路內壁有規則地流動，呈層流流動狀態。雷諾數大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流流動狀態，一般管道雷諾數Re<2000為層流狀態，Re>4000為紊流狀態，Re=2000～4000為過渡狀態。在不同的流動狀態下，流體的運動規律.流速的分布等都是不同的，因而管道內流體的平均流速與最大流速的比值也是不同的。因此雷諾數的大小決定了粘性流體的流動特性。

　　研究層流和紊流判斷多借助試驗進行分析，分析過程比較繁瑣。借助ANSYS中的FLOTRAN CFD分析功能，可以很輕松地解決層流和紊流問題。

　　ANSYS軟件中的FLOTRAN CFD分析功能是一個用于分析二維和三維流體流動場的先進工具，使用FLOTRAN CFD分析中的FLUID 141和FLUID 141單元，可以解決如下問題：

　　1)作用于氣動翼型上的升力和阻力;

　　2)超音速噴管中的流場;

　　3)彎管中流場的復雜三維流動;

　　同時FLOTRAN還具有以下功能：

　　1)計算發動機排氣系統中氣體的壓力和溫度分布;

　　2)研究管路系統中熱的層化和分離;

　　3)使用混合流研究來評估熱沖擊的可能性;

　　4)用自然對流分析來估計電子封裝中芯片的熱性能;

　　5)對含有多種流體的熱交換器進行研究;

　　二、FLOTRAN的分析類型：

　　(一)層流或湍流分析

　　層流中速度場都是平滑而有序的，高粘性流體(如石油等)的低速流動通常是層流。

　　湍流分析用于處理那些速度足夠高，黏性足夠低而引起的湍流波動的流體的流動情況，ANSYS中的二次湍流模型可用來模擬平均流動下湍流速度波動的影響。

　　(二)傳熱或絕熱分析

　　流體分析中常常會要求解流場中的溫度分布情況，如果流體性質不隨溫度改變，就可不解溫度方程而使流場收斂。在共軛傳熱中，要在同時包含流體和非流體的整個區域上求解溫度方程。在自然對流傳熱中，流體由于溫度分布不均勻性而導致流體密度分布的不均勻性，從而引起流體的流動，對強迫對流問題不同是：自然對流一般沒有外部流動源。

　　(三) 可壓縮或不可壓縮流體分析

　　對于高速氣流，由很強的壓力梯度而引起的流體密度的變化將顯著的影響流體性質，對此種流動情況要使用本分析方法進行處理。

　　(四) 牛頓流或非牛頓流分析

　　應力與應變率之間呈線性關系的這種理論不足以解釋很多流體的流動，對于這種非牛頓流體，軟件提供三種黏性模型和一個用戶自定義子程序供用戶使用。

　　(五) 多組分傳輸分析

　　這種分析一般是用于研究有毒流體性質的稀釋或大氣中污染氣體的傳播情況，同時，也可以用于研究含有多種流體同時存在相互被固體分開的熱交換分析。