雷诺数(Re)表示移流和扩散强度的比率。Re小时粘性主导,流动稳定层流;Re大时容易产生涡,流场复杂。腔内主涡的位置和强度都会变。试试用滑块改变Re,对比观察。
主要原因是时间步长太大。可以减小Δt(时间步长参数),或检查CFL条件是否满足。另外,Re过大(如>10000)数值不稳定,先用Re=100~1000试试。
本模拟器基于2D、非压缩、涡度-流函数法的层流假设,是盖驱动腔的标准基准问题。低中等Re(<5000)与实验和高精度计算吻合很好;高Re时忽略了3D和湍流效应,主要用于学习流动特征。
右边或上方的设置面板有显示选项复选框,选中/取消"速度矢量""流线""涡度等值线"等即可切换。也可调整色彩类型和透明度。如果显示重叠看不清,关闭不需要的项会清楚一些。
CFD软件验证·基准测试:商业软件(ANSYS Fluent、西门子Star-CCM+)或开源软件(OpenFOAM)开发和导入时,第一步必须计算这个盖驱动腔流确认代码正确。Ghia等人(1982)的数据是全球标准。
混合·搅拌工艺基础研究:用来理解槽内搅拌叶片搅动流体的行为。把盖的运动看作搅拌叶,通过模拟预测什么样的涡能有效混合。
微流体芯片设计:生物芯片(Lab-on-a-chip)等微小流路内的流动常具有2D性质。药液混合、粒子分离设计时常用这类2D NS求解器做初步检验。
建筑·环境风工程简易评估:建筑周边风的流动或密闭空间内气流可用2D模型简化理解。比如确定机房内热气滞留的位置(二次涡发生的角部)。
用这个工具时容易产生几个误解。首先,"Re越高越接近真实流体"——错。Re升高确实导致涡复杂化,但那是"近似非定常乱流行为",而这个模拟是2D层流,和3D真实乱流本质不同。比如,Re=10000的结果直接用于泵设计很危险。这工具是看流动"趋势"的。
其次,网格大小N的设置。N=32或64计算快,但高Re时涡形粗糙,有时还不稳定振荡。这是数值耗散强,掩盖了真实物理粘性。实务中"网格相关性研究"是标准,即反复加密网格直到结果不依赖网格。在这个工具里,试试Re=1000时分别用N=64、128、256计算左下二次涡,就能体会网格的重要性。
最后,"没有压力计算"的含义要理解。涡度-流函数法计算稳定高效,但翼的升阻力、管道压力损失等"压力本身是关键"的现象无法直接求。那需要用"原始变量法"(MAC法、SIMPLE法等)。这工具是理解流动"图案"和"结构"的第一步。