流體力學發展到現在為什麼還要進行風洞試驗?風洞試驗能解決哪些理論計算解決不了的問題? | 知乎問答精選

 

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流體力學發展到現在為什麼還要進行風洞試驗?風洞試驗能解決哪些理論計算解決不了的問題?

2018年08月19日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 10 ℃ 次

【華小樓的回答(26票)】:

簡單的說,目前,計算流體力學(CFD)最不能解決的問題是湍流。

對於湍流,尚沒有完整的理論模型,只能依靠經驗公式來修正和補充。經驗公式,你懂的。

[補充一] 什麼是湍流?

速度較慢時,氣流呈現均勻態勢,稱為「層流」,即各層之間流動的速度矢量一致;

速度加快時,各層之間出現干擾,速度矢量變得不規律,不再是同一方向,甚至出現了垂直於流動方向的速度份量,此時,就是「湍流」。也作「紊流」。

層流向湍流過渡的過程,稱為「轉捩」。(第二個字音「烈」)

[補充二] CFD的局限性因素

理論模型不完善是之一,之二是受制於計算規模。如同風洞越大,試驗結果越逼真一樣,CFD效果也基本上隨計算規模增長而增強。

而目前,大規模並行計算,還屬於相對稀缺性資源。

基於單獨的PC或者工作站進行CFD試驗,大約屬於工程界的屌絲吧 ……?

可以寫碩士論文,可以完成一些小課題,但不能用來參加型號研製。

[補充三] CFD目前在試驗中的作用

目前主要是預選和補充作用。

在方案選型初期,通過CFD計算,對比不同方案之間的相對量,完成規律性的摸索。

在風洞試驗時,可以用CFD替代一部分風洞試驗。

完成了主要構型和姿態的風洞試驗之後,就掌握了關鍵性數據,此時,就有了修正湍流模型經驗公式的基礎,再進行CFD模擬,就可靠了。

大概8點20發。

【李晉達的回答(4票)】:

? ? ? ?我現在就是學習計算流體力學,流體力學的發展確實很快,但是並不完善。簡單的介紹一下,為啥說流體力學並不完善。首先,對於任何一個工科學科,它的建立都需要抽像成數學模型,流體力學也同樣如此,它發展至今,數學模型已經比較完善了,經典公式基本就定型,但是問題來了,就出現在如何解方程這一最關鍵的地方,它的很多情形下建立的方程並不能求解,只有少量的簡單情形才能得出解析解(就是精確解,可以在整個求解區域內連續變形的函數)。既然有完善的方程組了,就是不能求出解析解,這個時候計算機出現了,數值分析的發展,把這個問題解決了,就是把連續的場離散成點,才有差分取代微分,通過迭代,解出數值解,雖然只是一個數值的集合,但是在工程應用中就足夠了。

? ? ? ?然後隨之而來的問題就出現在本來連續的物理量的場(如速度場,溫度場,濃度場等)被離散成一系列的有限個的離散點上的值的集合代替,這裡面需要多少個點,點與點之間相隔多少,離散點變量值之間的關係等等問題就會出現了,計算流體力學的誕生就是回答並完善這些問題的。

? ? ? ?最後,很多流體的問題是湍流情形的。湍流雖然很複雜,但是幾十年前的科學家都用方程把它描述出來了,就是這些方程不能求解啊,好不容易出現可以用數值解替代,那麼本來連續的場不用考慮的麻煩在離散的點上就出現了,因為這是用一個點替代一塊區域的求解啊,數值的準確還是不準確就是體現在離散點替代的合理性。於是,湍流的複雜性就體現了,湍流裡面有無限多的渦,隨時產生隨時消失,大渦可以達到流場本身的特徵長度,小渦小到微米級別。如果用一個點體現一個渦的話,就直接把這個渦給弄消失了,不合理了,所以要用多個點啊。如果是按照這個思路來做的話,也沒有錯,就是會把計算機給弄死的,那麼最好的辦法就是重新構造描述湍流運動的方程。

? ? ? ?採用數值計算方法大致分為這麼三類:1.直接模擬(DNS),就是剛才那個笨方法,但是它有無法逾越的好處就是只要離散點足夠多,它的精確度是別的方法無法達到的,畢竟它的數學模型是最好的,百年老字號了,問題只有一個,丫的計算機發展沒這麼快啊,算不起啊,至少目前為止只有很簡單的情況下才算的出來。2.大渦模擬(LES),按照湍流的渦旋學說,湍流的脈動與混合主要是由大尺度的渦造成的。這麼想的話,就可以不直接計算小尺度渦,小渦對大渦的影響通過近似的模型來考慮,最早描述的是Smagorinsky模型,有興趣可以看看,這個方法準確度不錯,計算量少一點,但是也僅僅少了一點點,還是很龐大的計算量啊,工程上複雜的流場基本上是無法計算的。3.應用雷諾(Reynolds)時均方程的模擬方法,這個真的是神的作品啊,它將非穩態控制方程對時間做平均,得出的方程組大大的減少了計算量,準確度夠工程使用,至少能計算機能算出來了。現在很多數值模擬都是用這種方法,問題最多的也是這個方法,計算流體力學的不完善也就體現在這裡。

? ? ? 單獨一段好好談談這個不完善的地方。關鍵問題就是大神的方程組不封閉啊,就是方程組數小於未知量個數,小學生都知道這東西沒法解出答案,大神們就是大神們,我的方程不封閉但是我可以假設條件讓它封閉啊。好吧,說到這裡,都知道問題出在哪裡了吧?就是這些假設,假設不同,產生的新的模型也不同,當然準確度也有所不同。具體的湍流模型可以看樓上的@聶小傑?。

? ? ? 感覺說了一大段還沒回答問題呢,既然這些工程上的數值模擬的根據是一個假設,那麼就知道準確度是到底有多差了,有些時候僅僅夠工程上使用。所以啊,需要做實驗驗證數值模擬的準確性,再行修改模型,因此也就要用到風洞實驗。不過因為數值模擬的發展,工程用到風洞實驗的次數越來越少了。

【聶小傑的回答(3票)】:

瀉藥

@華小樓 的回答不錯,補充回答一下。

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計算流體力學(CFD)不是不能解決湍流問題,而是不能使用一個放之四海而皆准的湍流模型來解決所有的湍流問題。也就是說不同的湍流問題,使用不同的湍流模型

Fluent中常用的湍流模型有:1Spalart-Allmaras 模型;2k-ε模型;3 k-ω模型;4 雷諾應力模型(RSM);5 大渦模擬模型(LES)。

1.Spalart-Allmaras模型是相對簡單的單方程模型,只需求解湍流粘性的輸運方程,並不需要求解當地剪切層厚度的長度尺度。該模型對於求解有壁面影響流動及有逆壓力梯度的邊界層問題有很好模擬效果,在透平機械湍流模擬方面也有較好結果。

2.k-ε模型:該模型假設流動為完全湍流,分子粘性的影響可以忽略,此標準κ-ε模型只適合完全湍流的流動過程模擬。還有RNG k-ε模型,RNG模型在ε方程中加了一個條件,有效的改善了精度,該模型適合的流動類型比較廣泛,包括有旋均勻剪切流,自由流(射流和混合層),腔道流動和邊界層流動

3.k-ω模型:預測了自由剪切流傳播速率,像尾流、混合流動、平板繞流、圓柱繞流和放射狀噴射,因而可以應用於牆壁束縛流動和自由剪切流動

4. 雷諾應力模型(RSM):適用於突擴流動分離區、計算湍流輸運各向異性較強的流動。

5 大渦模擬模型(LES):具有適當計算格式的湍流大渦模擬方法適用於邊界形狀複雜和存在各向異性大尺度渦的流動仿真。

【曉翔的回答(2票)】:

佔個樓,睡醒之後寫……

基本上說,不存在風洞試驗能解決哪些理論計算解決不了的問題,而是脫離了試驗的理論計算基本不能解決任何實際問題。

【李瀅浩的回答(1票)】:

流體力學很多基礎性的問題都沒解決吧,理論工具不完整。

湍流都沒搞明白,不做風洞試驗估計沒人敢坐飛機了。

【萬田的回答(1票)】:

要說明的是,對於低速的飛機,波音公司已經幾乎不需要風洞試驗了,因為計算出來的(升力和阻力)誤差在百分之一以內。現在的風洞試驗更多是為了驗證計算結果。

【Yifei的回答(0票)】:

樓主說「流體力學發展到現在」,其實流體力學發展到現在仍然是一筆糊塗賬。主要問題還是在湍流上,樓上幾位總結得很好。對於這麼多亟待解決的問題,當然是有什麼手段就用什麼手段。

【Abel的回答(0票)】:

看完大家回答,正好補個前天上課時老師開的玩笑。「用風洞吹出來的數據可能工程師自己都覺得不靠譜,影響試驗的因素雖然很多,但是別人都會相信;CFD出來的數據工程師很自信,很多因素都考慮在內了,但是別人不會信服這個數據。」風洞試驗的數據誤差可以通過許多次試驗的結果求均值來估計和減小,老師的方向是汽車空氣動力學,航空航天和汽車的分析還是不一樣的,不知道這個玩笑對於航空航天領域適用否。CFD的方法從樓上知友的解釋看來現在還是有些硬傷。

標籤:-相對論 -攝像機


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