starccm+技巧分享：流线、迹线、示踪线

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了流体力学中的流线、迹线和示踪线，以及它们之间的关系和区别。流线是沿着流场质点速度矢量相切的方向形成的连线，迹线是流体质点空间位置在时间历程上形成的轨迹，示踪线是所有经过过同一位置的流体质点在某一时刻下形成的连线。在稳态流场中，三种场线是重合的，但在非稳态流场中，它们具有不同的形态。流线可以帮助我们了解流场的速度分布和压力关系，迹线可以记录流场信息在一个时间段内的结果，示踪线可以显示流场中不同时刻的流体质点运动轨迹。在通用的CFD软件中，都提供了制作这三种场线的可视化后处理工具，可以帮助我们更深入地洞察流场信息。

流体力学中的流线、迹线和示踪线是描述流场的场线。只有当流场为非稳定状态时，三种场线的形态才会有所区别。反之，对于稳态流场，三种线是相互重合的。

我们可以把观测到的流场场线分为：瞬时场线与时间历程场线。其中流线和示踪线属于瞬时结果，类似于拍照，记录的是某一时刻下的流场信息。而迹线，实际上是流场在时间历程上的结果，记录的是一段时间内的流场信息，类似于不同时刻照片的叠加。

流线(Streamlines)：沿着流场质点速度矢量相切的方向形成的连线。所以流线上任意一点切线的方向，就代表了当地流体质点的速度方向。流线的稀疏的地方，流场速度小，流线密集的地方，流场的速度大。而且，每一条流线上的速度和压力的关系，都满足伯努利方程。

   根据定义，我们可得知，流场内任意两条流线都不会相交，因为同一个流体质点不可能同时具有两个不同的运动方向。记得读流体力学书时，为了加深对流线的理解，老师告诉我们：每一条流线，都可以看作一堵可以自由滑移的壁面，流体可以贴着壁面流动、而不会穿过；这样解释流线，形象而生动。

根据流线的定义，我们又可以衍生出流管，想象流线如果起始于流场内一个封闭的环，在流线向后不断发展过程中，又会有新的封闭的环产生，这些环构成的面，就称作流管。同样的，流管也像壁面一样，把管内和管外的流体分割开来，而不会穿透。

迹线(Pathlines)：流体质点空间位置在时间历程上形成的轨迹。所以迹线实际上描述的是流场信息在一个时间段内的结果。它记录了不同时刻下跟踪质点空间位置的变化。

示踪线（Streaklines）：也有人称之为烟线，定义是所有经过过同一位置的流体质点，在某一时刻下形成的连线。注意是经过过，不是打错字了；他的英文原意是：The loci of points of all the fluid particles that havepassed continuously through a particular spatial point in the past;我们可以这样理解，如果我们在流场中某个点，不断的释放不考虑质量的烟雾或者墨水，那么这些在同一位置点冒出的烟雾和墨水在某一时刻时形成的线，就叫做示踪线。

下面这幅图是汽车风洞实验的一个场景。喷入的示踪剂，形成的就是示踪线或者叫烟线。如开篇所讲的，如果流场是稳态的。那么这三条线是重合的。所以这条示踪线，又可以用它来说明流线和迹线。

动画中的虚线，为随时间变化的流线，记录了每个位置下流体质点的速度方向随时间的变化；想象在坐标（0，0）点的一个流体质点，跟随着流场运动，这个质点在不同时刻经历过的位置，用红色的线表示，记录了这个流体质点随时间在流场中位置的变化，这就是迹线。那么蓝色的线，就是示踪线，它记录了所有经过坐标（0，0）点的流体质点，在某一瞬时形成的连线。注意流场是非稳态的，流线形状随时间是变化的，所以这三种场线，是完全不同的。

基本概念介绍完毕，在通用的CFD软件中，都提供了制作这三种场线的可视化后处理工具。它可以帮助我们更深入的洞察流场信息。

今天的介绍对象是流线，如下面的圆柱绕流问题，如何用流线准确的捕捉到圆柱尾流的关键特征呢，例如漩涡？