《SOLIDWORKS Flow Simulation工程实例详解》彭军，胡其登|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《SOLIDWORKS Flow Simulation工程实例详解》

【作　者】彭军，胡其登

【丛书名】SOLIDWORKS工程实践系列丛书

【页 数】 173

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2022.02

【ISBN号】978-7-111-69868-5

【价 格】59.80

【参考文献】 彭军，胡其登. SOLIDWORKS Flow Simulation工程实例详解. 北京：机械工业出版社, 2022.02.

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《SOLIDWORKS Flow Simulation工程实例详解》内容提要：

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《SOLIDWORKS Flow Simulation工程实例详解》内容试读

第1章

流体力学与CFD基础

【学习目标】

1)流体力学基本概念。2)计算流体动力学基础。3)流体参数测量仪器。

1.1流体介质属性

“夫兵形象水，水之形，避高而趋下；兵之形，避实而击虚。水因地而制流，兵因敌而制胜。故兵无常势，水无常形。”这是《孙子兵法》虚实篇里面的一段，春秋时期的孙武从水的流动悟出了用兵之道。“水无常形”说的就是理想流体不能承受切向力而没有固定形状这种现象。水和空气是最常见的流体。对流体介质属性参数的描述，可以从流体与固体的对比着手。

固体，顾名思义，它是有一定形状的物体，既可以承受压力，也可以承受拉力和剪切力，在弹性范围内固体的变形随外力的消失而消失。流体是液体和气体的统称，同固体相比，流体通常没有一定的形状，易于变形且可承受压力，几乎不能承受拉力，剪切力的承受能力也很弱。在温度或者压力变化时，气体的体积也会有明显变化。这些是固体与流体之间显而易见的差异。

1.1.1连续介质假设

流体由大量分子组成，流体介质分子运动和分子间作用力决定了流体介质所表现出的上述宏观性质。流体力学连续介质假设是指：流体是由无数个质点组成的，它们在任何情况下均无空隙地充满着所占据的空间。在常见的流体运动中，由于固体表面的存在，大量流体分子会与固体表面频繁接触，以至于无法识别单个流体分子的碰撞，流体如同连续不断的介质，这种流动称为连续流动(Continuum Flow)。另外一种情形是，流体分子的平均自由程（相邻分子的平均距离)与物体尺寸量级相当，或者气体的分布很稀薄，例如在接近真空的容器中或者地球最外层大气中，流体分子稀少，与物体表面的接触不是很频繁，这种流动称为自由分子流动(Free Molecular Flow)。此外还有一种流动称为低密度流动(Low Density Flow),它是介于前述两种流动形式之间的情形，兼具连续流动和自由分子流动的特征。

在高空稀薄气体研究中，气体的分子平均自由程很大，通常与物体特征尺寸参数同量级，这种情况不能视为连续流动；血液在动脉血管或心脏中的流动可以视为连续流动，而血液在毛细血管（直径约104mm量级）中的流动却不能视为连续流动。制造业产品中绝大多数流动都是连续流动，因此本书对流体运动的描述都采用连续介质假设，即把流体视为没有间断、充满

一定空间的连续介质。SOLIDWORKS Flow Simulation作为一款有限体积法的CFD仿真软件，目前能模拟处理的流动问题基本都是连续流动问题。

SOLIDWORKS Flow Simulation工程实例详解

SOLIDW○RKS

然而，在内压力很低或存在稀薄气体的设备中，如何判断流体的流动是否符合连续介质假设呢？一般用克努森数(Knudsen Number)来判断。当克努森数小于0.01时，可认为该气体流动属于连续流动问题。

克努森数是以丹麦物理学家克努森（1871一1949)的名字来命名的，它表示的是气体分子

的平均自由程入与流场中物体的特征长度L的比值，即

Kn=/L

(1-1)

显然，对于克努森数有两个影响变量，我们分别来考虑。

1)在常温常压（101325Pa、25℃)下，每cm3空间约含有空气分子2.7×109个，分子的平均自由程约为6.8×108m,这时宏观尺度（特征长度）需要大于6.8μm(1um=10m)才可认为是连续流动。

2)在低压情况下，空气的平均自由程变大。例如，当大气压为0.1Pa时，平均自由程约为

0.06m,此时当特征长度L为6m时，克努森数才为0.01。如要保证克努森数小于0.01，则特征长度需要大于6。对于常规制造业产品而言，通常无法保证大于该特征长度，这个时候空气流动不能视为连续流动。

常温下空气压力与平均自由程对应数值见表1-1。

表1-1常温下空气压力与平均自由程对应数值

空气压力Pa

每cm3空气中分子数量（个）

平均自由程/m

101325

2.7×109

6.8×10

30000~100

109-1016

107-104

100-10

106103

104-10

101~103

105-10°

101、103

105、100

10°-10

103-10

注意：对于SOLIDWORKS正式用户，可以登录SOLIDWORKS用户端网站(htps:∥customerportal..solidworks.com)。该用户端网站知识库(Knowledge Base)中的问题解答S-018628包含Flow Simulation能否计算真空相关问题的详细说明。

1.1.2压力、密度、比重、比容

1.压力

压力是流体最常见的一个参数。在CFD仿真中，压力边界也是一个最常用的边界条件。压

力的法定计量单位是Pa(帕斯卡)，与压力相关的参数有如下几种。

(I)标准大气压标准大气压(Standard Atmospheric Pressure)是在标准大气条件下海平面的气压，其值为101325Pa。标准大气压也是压强的单位，通常记为atm。

(2)绝对压力绝对压力是相对于压强为0的压强值，SOLIDWORKS Flow Simulation中输入的压力都是绝对压力。

(3)相对压力相对压力通常也称为表压，是用压力测量设备测量得到的数值，即相对于标准大气压的压强值。需要注意的是，在制造业设备中，通常测量设备（如压力表）给出的数

值是相对压力，在进行C℉D仿真时，需要换算成绝对压力。“相对压力”加上“标准大气压”

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第1章流体力学与CFD基础

即是“绝对压力”。

(4)静压静压是流体在宏观上静止不动产生的压力，或者流体在流动时产生的垂直于流体运动方向的压力。

(5)动压动压是流体运动时，沿着流动方向产生的压力。例如，风扇转动时，人体能感觉到风对人体的作用，这是动压的体现。动压没有负值，它的计算公式如下，即

p

(1-2)

式中，p是流体密度；v是流体流动速度。

(6)总压静压加上动压即是总压，可以使用皮托管等设备测量得到流体的总压和静压，根据动压公式可以得到流体速度。

(7)负压负压通常是指压力低于标准大气压的状态，也称为“真空度”。负压（真空度）是大气压强与绝对压强的差值。

(8)压差顾名思义，压差就是压力的差值，有静压差、总压差等。例如，阀门或管道设备通常需要知道流体入口和出口之间的压差。

(9)环境压力SOLIDWORKS Flow Simulation的边界条件中有“环境压力”项，它被定义为流体入口的总压或者是流体出口的静压。

提示

对于C℉D仿真初学者而言，可能会出现混淆压力的情况，应特别引起注意。例如，

试验人员测定的压力通常为表压，而在C℉D软件中通常都是输入绝对压力作为边界条件，

如果输入的边界参数并非实际数值，会导致仿真结果严重偏离真实结果。

2.密度、比重、比容

流体的基本参数还包括密度、比重和比容。流体密度通常随着温度和压力的变化而变化。

(1)密度密度是单位体积的流体的质量，法定计量单位为kg/m3,，流场中各位置点有可

能具有不同的流体密度。例如，在空化/汽蚀C℉D仿真的结果中，液体密度在空化位置处可能

出现变化。常见流体的密度见表1-2。

(2)比重在某些工程技术问题中，还会用到比重这一参数。比重定义为流体的密度与4℃水的密度之比。比重是无量纲参数。

(3)比容比容是密度的倒数，即单位质量的流体所占的体积，国际单位制单位为kg。

比容在高温塑料熔体的模流仿真中是常用的参数之一。塑料熔体是一种非牛顿流体，它的VT

曲线是最重要的仿真参数之一，其中的V即指比容。

表1-2常见流体的密度

流体名称

密度/(kg/m3)

温度K

空气

1.161

300

水

1000

278

氧气

1.284

300

二氧化碳

1.773

300

水蒸气

0.554

400

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SOLIDWORKS Flow Simulation.工程实例详解

SOLIDWORKS

1.1.3压缩性、黏性

1.压缩性

在压力作用下，流体的密度或体积会变化，这就是流体的可压缩性。一般来说，液体被认为是不可压缩的，气体被认为是可压缩的。常温下的水，当外界压强增加一个大气压时，水的体积仅缩小约0.005%；而对于常温下的气体，当外界压强增加0.1个大气压时，气体的体积约缩小10%。可见，气体的可压缩性比液体要大很多。

但是严格来讲，所有流体都是可以压缩的，只是压缩的程度不同而已。在实际流体力学中，为了处理问题的方便，通常都将压缩性很小的流体视为不可压缩流体。例如，飞行器飞行时，当空气流动速度较低时（低于0.3马赫），压强变化引起的密度变化很小，可以不考虑空气的压缩性对流动的影响，即把空气作为不可压缩流体来处理；反之，当空气流动速度很大时，流场中各点速度变化很大，压强变化引起的密度变化也很显著，则必须将空气视为可压缩流体来处理，才能获得符合实际的结果。

2.压缩模量

压缩模量定义为单位体积的流体产生体积变化所对应的流体压强变化，可用来描述流体的压缩性。在常温下，水的压缩模量约为2.1×10N/m2;空气的压缩模量约为1.05×10N/m2,相当于水的两万分之一。常见流体的压缩模量见表1-3。

表1-3常见流体的压缩模量

流体名称

压缩模量/(10N/m2)

水

2.1

二氧化碳

1.56

酒精

0.909

甘油

4.762

水银

27.03

3.黏性

流体在运动时，如果相邻两层流体的速度不同，则在它们的界面会产生切应力，运动快的流体层对运动慢的流体层有一个拖滞力，运动慢的流体层对运动快的流体层有一个阻力，这对拖滞力和阻力被称为流体层之间的内摩擦力或黏性应力。

任何实际流体都有黏性，黏性是流体抵抗剪切变形的性质。黏性力的计算公式为

T=4du

(1-3)

dy

式中，u是黏度系数，也称为动力黏度，单位为N·sm2；是速度梯度。如果让上下两块

dy

平行板之间充满黏性流体，下板固定不动而让上板以速度向右运动，则上下两板之间的速

度分布如图1-1所示，作用在上板的外力F与速度。和平板面积成正比，与平板的间距δ成

反比。

(1)运动黏度动力黏度4与密度p的比值就是运动黏度v。运动黏度的单位是m/s。在空气动力学问题中，惯性力和黏性力同时存在，运动黏度起着重要作用。运动黏度的计算公式为

第1章流体力学与CFD基础

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u+du

图1-1流体的黏性力计算

y=4

(1-4)

p

式中，4是动力黏度；p是流体密度。常见流体的黏度系数与运动黏度见表1-4。

表1-4常见流体的黏度系数与运动黏度

流体

黏度系数/(107N·s/m2)运动黏度1(106m21s)

温度K

空气

184.6

15.87

300

二氧化碳

149

8.4

300

水蒸气

134.4

24.25

400

甘油

79.9×10

634

300

(2)牛顿流体牛顿流体是指任一点上的切应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体，如空气、氢气、水等。

(3)非牛顿流体非牛顿流体是切应力和剪切变形速率之间不满足线性函数关系的流体，如塑胶、血液、橡胶、牙膏等。切应力与时间无关的非牛顿流体又可分为假塑性流体、涨塑性流体和塑性流体（宾汉流体），如图1-2所示。

塑性流体

牛顿流体

涨塑性流体

假塑性流体

du

dy

图1-2流体分类

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SOLIDWORKS Flow Simulation.工程实例详解

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1.1.4理想气体、真实气体

1.理想气体

理想气体是指假设气体分子只有质量而不占有体积且气体分子间没有作用力的气体。显然，理想气体是一种实际上并不存在的假想气体。在理想气体的假设条件下，气体分子运动的规律可以大大简化，能得出简单的数学关系式，便于分析和研究。理想气体满足理想气体状态方程

pV=nRT

(1-5)

式中，n是气体的物质的量；R是普适气体常数，R=8.3144J/(mol·K):T是气体温度；p和V分别是气体的压力和体积。

虽然完全理想气体并不存在，但在常温常压下，很多不易液化的气体都符合理想气体的假设条件，即气体分子的体积和分子间的相互作用可以忽略不计。例如，空气、氦气、氢气、氧气、氮气等，在常温常压下，这些气体都可以视为理想气体。

2.真实气体

真实气体也称为实际气体，即气体分子本身占有体积，分子间有相互作用力。天然气和一些热机装备中的制冷剂气体都是真实气体。真实气体不服从理想气体状态方程，应该用范德瓦耳斯方程来描述。真实气体在降低温度或压缩体积（在临界温度以下）的情况下可以液化。在接近液化的温度下，真实气体的性质与理想气体偏离非常大；温度越高、压力越低时，偏离越小。当压力趋近于零时，任何真实气体都可看作理想气体。

气体在何种环境下必须视为真实气体，需要由气体的属性、温度、压强等具体参数来决定。氢气在温度为0℃时，在10'Pa压力以下，可以视为理想气体；但超过10'P压力时，再用理想气体状态方程处理便与实际情况偏离较远，这时用真实气体的范德瓦耳斯方程处理较为合适。

范德瓦耳斯方程考虑了分子间的作用力和分子占有体积的影响，该方程描述为

-B)=RT

(1-6)

式中，气体分子间的引力作用以a/Vm2表示；气体分子的体积影响用B表示；a和B称为范德瓦耳斯常数。不同类型的气体具有不同的范德瓦耳斯常数。

注意：在有些商业C℉D软件的流体材料数据库中，包含理想气体与真实气体的分类，其中可

能都包含同一种气体，这对于初学者可能难以理解，但当我们了解了上述理想气体与真实气体的差异以后，应该会豁然开朗。

1.2流体运动

流体运动的基本方程组是连续方程、动量方程和能量方程，分别对应流体运动的质量守恒、动量守恒和能量守恒，这是流体运动时遵循的基本守恒定律及其数学表达式。对于流体运动方程式的描述，通常还要考虑是采用拉格朗日坐标还是欧拉坐标，是微分形式还是积分形式。

1.2.1连续方程

质量守恒是指在一个流体系统（或控制体）中流体的质量在运动过程中保持不变。例如，

在常规的内流场CFD仿真中，入口流入的流体质量应等于出口流出的流体质量。

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···试读结束···