什麼是流體流動？

流體流動說明液體或氣體因施加的力或壓力差異而持續變形及移動的情形。流體流動反應液體改變形狀或適應其容器的能力，與維持固定形式的固體不同。

流動期間的液體行為會受到其黏度的影響，這會測量液體的內部流動阻力。根據其黏度特性，液體分類為牛頓流體或非牛頓流體。

在包括航太、土木、機械和生物醫學工程等許多工程領域中，瞭解流體流動非常重要。它在海洋學、氣象學和生物學等科學學科中也扮演重要角色。為了解決複雜的流體流動問題，工程師通常會採用先進的技術，例如計算流體動力學 (CFD)，此技術結合了強大的電腦硬體和精密的數值方法。

流體力學是根據流動測量得出的經驗法則，對液體和氣體運動進行的研究。流體流動問題通常涉及確定的特性，例如：

• 流體速度 - 說明液體移動速度和方向的向量 (以公尺/秒為單位)
• 流體壓力 - 說明流體對其周圍環境或與其互動之表面所施加之單位面積力的向量 (單位為帕或磅/平方英吋)
• 流體溫度 - 表示流體中分子的平均動能，反映應流體的冷熱程度 (以攝氏溫度、凱氏溫度或華氏溫度為單位) 
• 流體黏度 - 流體流動和變形的阻力測量，可量化流體相鄰層之間相對於彼此移動時的內部摩擦 (以帕-秒為單位)

流體力學有許多分支學科，包括空氣動力學 (研究運動中的空氣和氣體，例如計算飛機翼上的力) 和流體動力學 (研究運動中的液體，例如，確定通過管道之石油的質量流量)。

流體流動中的雷諾數

工程師經常使用無因次數來有效減少變數數量，並從物理現象擷取有意義的相關性。雷諾數是將慣性力與流體流動中的黏性力關聯的數值。

在層流流動中，黏性力比慣性力大。隨著雷諾數的增加，慣性力會變得更強，直到流動最終變為紊流。發生此情況的雷諾數稱為關鍵雷諾數。

關鍵雷諾數沒有固定值，而是取決於邊界表面平滑度和流動幾何等因素。例如，針對由光滑表面界定的內部流動，其值約為 2,300，而針對外部流動，其值會更高。

流體流動具有許多屬性，反應流體的固有特性，或其在空間和時間上的變化。此外，紊流流動會帶來更多挑戰。迄今為止，研究人員尚未為這些問題提供完美的解決方案。

層流流動說明流動中不同流體層 (薄層) 之間沒有混合的流動。當黏性力比慣性力強時，就會發生層流流動。但是，大多數具有工程意義的自然流動都將轉變為紊流。

在紊流流動中，流體層會混合，產生形成旋轉元件 (迴流與渦流) 的應力。當慣性力高於黏性力時，會出現紊流流動。

值得注意的是，還有第三種流動 - 過渡流動，這既不是完全紊流，也不是層流。

工程師透過雷諾分解來研究紊流流動，在雷諾分解中，流動分為平均分量與微擾分量。雷諾數定義為流體重慣性力與黏性力的比率。這是一個無因次數量，有助於判斷特定組態的流動是層流還是紊流。它由以下方程式得出：

其中，ρ 是流體密度，V 是流動速度，而 L 是特性長度 (例如管道直徑)。

例如，您可以考慮具有下列特性的管道：

• 如果 R_e 小於 2,000，則黏性力占主導地位，且流態為層流。
• 如果 R_e 大於 4,000，則慣性力占主導地位，且流態為紊流。
• 如果 R_e 介於 2,000 至 4,000 之間，則流動為過渡流動。

以下是層流與紊流流動之間的主要差異：

穩定與不穩定流動

穩定流動是速率、壓力和密度等特性在空間中的任何特定點都不隨時間變化的流動。相反地，如果這些特性中有任何一項隨時間變化，流量就會不穩定。

紊流流動本質上是不穩定的。但是，它們也可以在統計上保持穩定，這表示速度等時間平均流動條件會隨著時間而保持不變。

在本質上通常會發現不穩定流動。但是，解決不穩定流動模型更具挑戰性，因為引進時間維度需要更大的運算能力。

均質與非均質流動

均勻流動說明流體流動，其中流體的速度在整個流動方向和幅度上保持恆定。

可壓縮與不可壓縮流動

壓縮性說明使流體中的分子更加緊密結合在一起的能力。 

氣體很容易壓縮，因為其分子的距離很遠。透過施加或減輕壓力，可輕鬆變更其體積和密度。另一方面，液體難以壓縮，因為其分子彼此之間的距離較近。 

在大多數實際應用中，液體可被視為不可壓縮的 (除非像某些不穩定流動問題一樣，聲音傳播變得顯著)。

在速度變化相對於該流體中的聲音速度較小的流場中，可以將流體流動視為不可壓縮 (即使是氣體也一樣)。這一點相當重要，因為壓縮性效應會大幅提高控制方程式的複雜度。

馬赫數是一個有用的無因次數，有助於確定流體流動中壓縮性效應的重要性。針對小於或等於 0.3 的馬赫數，可將流動視為不可壓縮。針對較高流動速度 (高次音速和超音速)，壓縮性效應會變得顯著，尤其是涉及衝擊波的位置，例如噴射引擎、高速飛機和火箭。

黏性與非黏性流動

黏度是流體中的摩擦測量。當流體中的層彼此摩擦時，會產生摩擦。高黏度 (例如蜂蜜) 表示有大量摩擦，反之亦然。對於液體，黏度會隨溫度升高而降低。這是因為分子在較熱的液體中移動地更自由，更容易彼此滑動。但是，對於氣體來說，黏度會隨溫度而增加。

單維與多維流動

流動維度是指顯著影響流動特性的空間維度數，請注意，時間通常稱為維度。

在單維流動中，速率、壓力和密度等量僅在一個維度中顯著變化。單維流動在其他兩個維度的變化可以忽略的流動條件下很有用 (例如，在直徑恆定的管道中，僅沿管道長度發生變化)。

在二維流動模式下，第三維度的變化為均勻的，或可忽略不計的。這發生在高縱橫比流動中，其中一個維度明顯大於另一個維度。例如，在沿平板的邊界層開發中，與沿長度和高度的變化相比，平板寬度的流動特性變化可忽略不計。此外，許多天氣系統模型都是二維模型，因為地球的大氣相對於地球表面非常薄。

三維流動模型在工程應用中最為普遍，其會在三維中擷取這些流動的完整複雜度。在這些情況下，複雜的幾何會產生複雜的流體運動，這些運動也會受到壓力、速度或密度等三維變化的影響。

雖然簡化的單維與二維模型可減少分析工作量，但並非總是一個有效的選項。模型的選擇取決於所考量的問題。工程師在初始設計階段通常依賴簡化的模型，並在最終驗證階段選擇進階 3D 模型。

外部與內部流動

外部和內部流動之間的主要差異來自這些流動周圍邊界的本質。

外部流動發生在至少一側不受限制的位置，進而導致邊界層和尾流效應。另一方面，內部流動則發生在侷限 (固體) 邊界內，在此範圍內，通常會有壓降和流動分佈的問題。

外部流動的範例包括流經飛機機身的空氣 (升力和阻力等空氣動力通常很重要)、流經船體的水或吹過建築物的風。物體的形狀和方向會影響外部流動的行為，形成邊界層 (物體流動介面上的黏性區域) 和流動分離。

內部流動的範例包括流經管道或導管的空氣或水。它們受邊界壁的限制，且壁上的動量損失會導致沿流動方向的壓力下降。

多相流

多相流說明同時發生兩個或多個不同熱力學相位的流動。這些相位可能會採用氣體、液體或固體的形式，並採用相同或不同的分量，例如水/水蒸氣流、油/水流或液體-固體懸浮液。

多相流通常分為二相流和三相流，但更複雜的系統可包含其他相位。

常見二相流包括：

• 氣體-液體流動 - 可在蒸發器和冷凝器中發現
• 氣體-固體流動 - 可在生物反應器中發現
• 液體-固體流動 - 可在泥漿運輸和沉澱系統中發現

三相流包括氣體-液體-固體流動 (例如在化學三相流和流體化床中) 和氣體-液體-液體流動 (可在油回收系統中發現)。

由於不同相位之間的交互作用，多相流建模非常複雜。這是各種工程問題的核心，包括化學加工與製藥 (例如混合、過濾與分離)、發電 (蒸汽渦輪機與燃燒建模)，以及石油與天然氣 (減少燃燒與排氣)。工程師會使用 Euler-Lagrange、Euler-Euler 或流體體積 (VOF) 等方法來解決這些問題。

在中等雷諾數下，會以納維爾-斯托克斯方程式 (不包括紊流建模) 產生之紊流流動的直接數值模擬 (DNS) 為基礎。但是，由於所需的運算資源過多，大多數工程流動呈現的雷諾數對於直接數值模擬而言過高。例如，任何大到足以容納人類的飛行器都已超出 DNS 的範圍 (Re = 400 萬)。

因此，工程師會將雷諾平均納維爾-斯托克斯 (RANS) 方程式與紊流建模相結合，以提供紊流流動的有效特性。RANS 模型會考量紊流透過雷諾應力導致的額外動量與熱傳遞。RANS 模型在工程應用中廣泛使用，因為其運算強度比 DNS 低，同時也為許多類型的紊流流動提供合理的準確度。

大型渦流模擬 (LES) 及其變體是在 DNS 與 RANS 之間提供中間接地的其他建模方法。LES 可直接解析較大規模的紊流，並對較小規則進行建模，使其比 RANS 更準確。這在試圖模擬具有重要瞬態特性的流動時至關重要，例如汽車的外部空氣動力學和燃氣渦輪引擎內的燃燒。 

瞭解流體流動的能力是開發有效運算模型的第一步。層流流動解決方案相對簡單，工程師可以使用確定的數學模型。但是，這些機型的適用範圍有限。 

大多數實際問題涉及紊流流動，由於其不穩定性和不確性，紊流流動最難建模。對紊流流動精確建模仍是工程師積極努力解決的挑戰。

然而，Ansys Fluent 軟體是領先業界的流體模擬工具，以其先進的物理建模功能和準確度聞名。

Fluent 軟體是專為工程師設計的強大工具，為複雜的流體模擬問題提供高效準確的解決方案。它提供多種實體模型和技術，包括：

• 各種紊流模型 
• 降階建模
• 各種多相流模型
• 多種燃燒模型
• 流體-結構交互作用
• 用於網格劃分與求解的高度可擴充並行功能

相關資源