【研究前沿】跨临界二氧化碳Ranque-Hilsch涡旋管的数值模拟与局部熵产生研究

1.无量纲数的作用 实验是流体力学发现的重要工具。在设计和测试飞机、船只、汽车、泵、涡轮机、风扇等设备时需要进行实验。这些实验的目的是理解诸如湍流等基本流动现象。为了获得准确的结果，实验必须有计划地执行。确定哪些参数重要是规划正确实验的基础。各种缩放因子在决定流动行为中起着重要作用。这些因子通常表示为无量纲数。例如，实验的马赫数可以决定流动是否具有亚音速或超音速特性。雷诺数可以用来预测流动是否平滑或湍流。在这里，无量纲分析将被用来提取流体流动的重要缩放因子。2.不用无量纲数会怎样 图 ：绕圆柱体的流动考虑例如圆柱体周围的阻力研究。控制这一过程的参数是什么？根据以前的实验，发现主要参数是：来流速度 V，圆柱体直径 D，流体密度 ρ 和流体粘度 μ。可以进行一个盲目的实验，简单地测量每个参数的影响。可以执行一系列测试，改变自由流速度，同时保持其他参数不变。可以制作一个阻力与速度 V 的曲线，同时保持 μ,ρ 和 D 恒定。但请注意，为了获得一整套结果，还需要对其他参数的不同值重复相同的实验。（见下图）。图 ：阻力依赖于各种参数然后可以重新进行实验，考虑阻力与 ρ 的关系，同时保持其他参数不变。最终需要进行大量的测试。如果每条曲线需要大约十个点来获得良好的定义，那么很容易看出需要进行多达 10,000 次实验来完全覆盖所有可能性。3. 用了无量纲数会怎样 相反，可以事先尝试进行尺寸分析，以确定这些参数之间的关系，从而最小化实验数量。这种分析技术将帮助确定流动的无量纲数。无量纲数将涉及一些占主导地位的参数组合。在圆柱体阻力的情况下，这些是阻力 F、密度 ρ、粘度 μ、直径 D 和速度 V。在实验中，只需要改变这些无量纲数。例如，对于阻力问题，无量纲数是阻力系数 Cd 和雷诺数 Re（见下图），分别由下式给出：图 ：Cd 随 Re 的变化。通过测量阻力系数，同时只改变雷诺数，可以完成描述圆柱体在所有条件下行为的全部结果集。虽然改变流动的 ρ 或 μ 可能很困难，但可以通过改变速度和/或直径来获得不同的雷诺数。最终结果可以用来预测在任何特定条件下圆柱体的阻力，方法是从特定雷诺数的图表中找到阻力系数，然后将其扩展到阻力。4.用了无量纲数的优点 无量纲数的另一个优点是，结果是独立于测量单位的。因此，习惯于完全不同的单位系统的人仍然可以解释结果。这些数字的另一个应用是在相似性上。每当设计一种新的交通工具时，通常在建造全尺寸原型之前进行初始缩放模型测试。模型结果如何与全尺寸车辆的结果比较？两者之间是否只需要几何相似性？实际上，这要求模型和全尺寸之间的大多数适用无量纲数需要相同，以确保结果的准确性。来源：CFD饭圈