层流与湍流：差异、示例以及其如此重要的原因

当流体中的颗粒沿一个方向移动而且垂直于流动方向的运动很少或没有时，这时可以判断流动是层流当流体颗粒垂直于流动方向移动时，是湍流的特征，通常会形成漩涡，称为涡流。流速、密度和粘度等流体特征，以及流体流入或围绕其流动的物体的几何结构，将决定流动从层流过渡的时间以及湍流流态的混乱程度。

从汽车的噪音、飞机燃油效率到化学品的混合速度，这种关键的流体流动特性都会产生影响。虽然全层流流动在理论上是可行的，但在现实应用中相对罕见，因此工程师需要预测并管理其所设计目标内部和周围的层流及湍流。

流动表征中使用的关键术语

要了解层流和湍流之间的区别，首先要了解工程师用来描述流动表征的一些关键术语。

边界层

边界层是靠近流体流经表面的一层薄流体，其中的速度从表面的零速度到流体的主流区域速度不等。流体的粘度会导致在表面形成无滑移的边界条件。主流区域速度速度、运行长度、粘度以及边界层中的湍流量将决定边界的厚度。

主流区域速度

主流区域速度这个术语是指流体的整体平均速度。计算方法是：测量体积流量，然后除以测量平面的横截面面积。

涡流

涡流是流体颗粒偏离整个流体流动方向的运动。涡流可以是一个旋流、一个涡流，也可以是围绕主流方向周围的简单波动。

流动分离或边界层分离

当由于不利压力梯度导致靠近表面的流速发生反向变化时，边界层流动会脱离表面，从而发生流动分离。

主流区域

主流区域是边界层以外的流动区域。

内部和外部流动

内部流动是指流体在垂直于流动方向的所有边界上都由固体壁面包围的情况。外部流动描述的是围绕物体流动的流体。如果流体在物体内部流动（比如管流）或物体周围（如飞机机翼）流动，其行为会有所不同。

纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程

纳维-斯托克斯方程是一组计算粘性流体流动的方程。计算流体力学（CFD）程序将纳维-斯托克斯方程与其它方程相结合，以预测大多数流体流动情况的行为。

流态

流态（或流动模式）是流体结构和行为的描述。流态由速度、粘度、相态、层流或湍流等特征决定。

雷诺数（Re）

雷诺数是表征流体流动中惯性力和粘性力之比的无量纲值。该值源于Osborne Reynolds的实验，旨在了解水在管道中流动的方式以及水流从层流过渡到湍流的时间。内部力和粘性力的比值可准确预测流动从层流过渡到湍流的时间。

雷诺数方程为：

ρ=流体密度（kg/m3）

u=流速（m/s）

L=特征维数，例如管径、水力直径、等效直径、翼型弦长（m）

μ=流体的动态粘度（Pa·s）

v=运动粘度（m2/s）

速度剖面

速度剖面是流体沿任意直线或平面流动的速度，其中线或面通常垂直于整体流动方向或表面。速度剖面说明了边界层中的速度梯度，用于计算质量流率。

粘度

流体的粘度是在给定剪切速率下对变形阻力的度量，通常描述平行流体层之间的内部摩擦力。 

什么是层流？

层流是一种流体颗粒沿平滑且稳定的流线流动的状态，且相邻层之间颗粒运动很少。层流的特征是雷诺数相对较低，因为粘性力远远大于速度。流体类型和流体属性，以及流体围绕或通过其流动的任何固体物体的几何结构和表面粗糙度，都会影响流体保持层流状态的时长。层流的速度剖面，会在边界层内单调地从零增加到自由流速。

什么是湍流？

湍流的特征是：流体颗粒速度和压力幅值的大小和方向变化混乱；高雷诺数，其中的速度和特征维数远高于流体的粘性阻尼，具体有多高取决于流体属性以及流体流经或围绕其流过的物体。湍流很不规则，几乎无法详细预测或测量。因此，工程师会从统计学角度处理湍流

为什么了解层流和湍流非常重要？

工程师很关心层流和湍流，因为每个流态都会影响他们所处理的流体的物理特性。有时候您可能希望尽可能长时间地保持流动层流，而有时候您可能想要湍流。以下是工程师应该了解的几种情况以及不同流动模式所发挥的作用。

热传递

物体到流体的热传递过程很大程度上依赖于与表面方向相反以及垂直于表面的流速。高速流动和湍流会增加从物体到物体周围流体的热通量。工程师设计时通常会增加加热和冷却过程中湍流的程度，最大限度提高物体和流体之间的热传递。

升力

升力是流体绕固体物体流动时，物体一侧的压力升高与另一侧的压力降低所产生的净力。边界层内部的湍流会增加压差，但自由流中的高湍流可能会降低升力，也可能会对产生升力的物体产生有害的振荡力。

阻力

阻力是物体内部或经过物体的流体施加的力，作用在流动方向上。在大多数情况下，边界层的湍流会增加物体的阻力。设计人员会花费大量的时间来进行仿真和风洞测试，调整车辆和飞行器的空气动力学特性，以最大限度减少阻力。

噪声

物体周围的气流转变为湍流时，涡流会产生可听范围内的声波。噪声不仅会浪费能量，而且声音可能非常大、让人厌烦，甚至会影响健康。

混合

对于混合而言，湍流可能是一件好事。在燃烧、水处理和化学制造过程中，工程师会设计混乱的湍流与不同流体混合的系统，以提高化学反应的速度和效率。 

利用仿真对层流和湍流进行建模

良好表征层流的方法是，在Ansys Fluent流体仿真软件等通用CFD工具中，或者在Ansys CFX软件等专注于旋转机械的工具中求解纳维-斯托克斯方程。同样的方程可以预测湍流，但直接对湍流进行数值仿真的计算要求并不实际。准确分析湍流所需的方程数是雷诺数的立方数量级。因此，用户可在一个模型中添加额外的方程，以足够准确地近似湍流行为，从而回答工程问题。

Ansys提供了一些资源，包括关于层流和湍流建模的免费在线课程。以下是一些可为应用打下坚实基础的基本指南：

在CFD中分析层流

在CFD工具中进行层流分析非常简单。层流分析最重要的任务是，提供足够的精度来预测流体过渡为湍流的时间。边界层网格应具备足够的分辨率，以准确捕获速度剖面。此外，提供准确的壁面粗糙度并以足够的分辨率捕获表面几何结构也很重要。

在CFD中预测层流-湍流过渡流

尽管查看模型中雷诺数的范围可指导您确定过渡流动出现的位置，但其推荐的范围是在实际应用中很少出现的理想化情况。如果您假设沿模型的整个长度都是湍流，则可能会过度预测壁面上的剪切应力。这就是Ansys率先基于基于局部修正的过渡模型（LCTM）的概念对过渡流进行数值预测的原因。要做到这一点，就必须使用包含能准确预测过渡流动的方程的湍流模型。

湍流雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型

湍流的简化方程有两类。第一类是RANS模型。该方法将流量分解为波动分量和时间平均分量。RANS模型是基于经验研究的近似模型。有许多RANS模型可用，较为常用的RANS模型如下：

• Salart-Almaras（SA）：用于外部空气动力学的简单单方程模型。
• 双方程模型：基于较早k-ε和k-⍵公式的RANS模型系列。剪切应力输运（SST）、基础（BSL）以及广义k-⍵（GEKO）模型可被单独（或结合）用于准确预测工业应用中的湍流。

一些使用RANS模型的最佳实践包括：

• 尽可能准确地表示几何结构
• 将入口和出口保持在明确定义的流动区
• 确保密度和粘度等流体属性准确无误
• 在边界层内采用高分辨率网格，并逐步过渡到较粗的网格区域
• 通过迭代网格细化以收敛到精确的网格
• 使用精确的边界条件
• 如果可行的话，可使用二阶数值
• 在模型中迭代不同的RANS模型或参数，以匹配实验数据

湍流的尺度分辨仿真（SRS）模型

第二类湍流建模是尺度分辨仿真，可求解湍流随时间和空间变化的流动特性，而不是求解流动随时间的变化。SRS的大多数应用，都使用大涡流仿真（LES）模型，在对较小涡流建模的同时为较大涡流求解。LES模型现已经过一段时间的改进和验证。与RANS模型相比，其需要更多的网格、更长的运行时间。

算力的提高，尤其是GPU的使用，有助于通过各种SRS/RANS混合模型将SRS模型用于工业流程，包括：

• 尺度自适应仿真（SAS）
• 分离涡仿真（DES）
• 阻尼分离涡流仿真（SDES）
• 应力混合涡流仿真（SBES）
• 混合LES（ELES）

应用SRS模型（尤其是LES模型）的最佳实践，与RANS模型的最佳实践截然不同。保持低纵横比单元尤为重要，因为湍流涡流需要在所有三个空间方向上求解。此外，严格的时间步长限制可用于为湍流场确保正确的时间分辨率。最后，LES质量很大程度上取决于专业数值处理的提供情况，以最大限度降低数值耗散的影响。

进一步了解Fluent软件的广泛湍流模型，包括行业领先的广义k-ω（GEKO）模型。