CFD基础课程系列 (2)：第2章 物质的特性

CAE大拿

在这个《CFD基础课程系列》里，针对刚刚开始，或者将要开始进行热流体仿真的工程师，我们尽力通过通俗易懂的语言和直观的现象来阐诉CFD的概念。系列(1)，我们介绍了流体和热传递有关的现象以及热流体仿真的优点和注意点。系列(2)，我们将介绍热流体仿真中常用的流体特性以及它们的物理意义。

第2章 物质的特性

       在第2章里,我们介绍在热流体仿真中用到的流体物质特性的物理意义。流体的特性值是在一定的尺度下衡量流体物质特性的数值。在实施仿真时，设定的流体特性值反映了流体是空气、水，还是油。在阅读这一章时，大家可以想像这些特性值大的时候或者小的时候对应的流体会有什么样的物质特性。讨论将基于SI单位制。

2.1 密度

       密度是单位体积的物质所含的质量，单位是 [kg/m3] 。

      以铁和泡沫塑料为例。同样的体积但是质量相差非常大。这就是物质密度的不同引起的差异。（泡沫塑料的密度大约为30 kg/m3， 而铁的密度是7,870 kg/m3 ）。

图2.1　密度的不同

       另外，在平时的生活中可能不太意识，即便是空气也有质量，在1 大气压和20 ℃ 下，干燥空气的密度大约是1.206 kg/m3 。而水的密度是998.2 kg/m3 。同样速度的足球和保龄球，比较重的保龄球会产生更大的力。可以想象，当空气和水具有同样的流动速度时，密度大的水可以产生更大的力。

2.2 粘性系数

      粘性是流体的特有性质。比如，分别搅拌水和糖浆时，搅拌糖浆需要的力要大一些，这是因为糖浆的黏度比水大。这种性质被称为粘性的大小。粘性的大小是以粘性系数这个物质特性来表示的，单位是[Pa・s] 。

图2.2　粘性的不同

       粘性有使流体的流动均一化的作用。比如，水桶里被搅拌的水经过一段时间，流动会慢慢静止下来。这是因为水桶的内壁对水有一个阻力的作用，水的流动会按离水桶内壁的距离由近到远逐渐减速。

       另外，在考虑粘性对流动影响的时候，还需考虑流体密度的效应。这是因为越是轻的流体受粘性的影响会越大。反之，密度高的流体不容易受粘性的影响。流体密度对流动影响的物理特性称为动粘性系数,从粘性系数除与密度得到（单位: [m2/s]）。

2.3 比热

       比热是单位质量的物质温度升高1K所需要的热量，以[J/(kg・K)]为单位。

      物质的比热越大，温度上升所需的热量就越大。反之，降温时释放的热量也越多。因此，比热大意味着物质不容易加热，也不容易降温。

       比如，对烹调用的铁锅和瓷锅分别点火加温。铁锅很快就达到很高的温度，而瓷锅的加温就比较慢。

图2.3 加温快慢的不同

      熄火后，铁锅很快就会回到室温而瓷锅需要花很多时间才回到室温。

图2.4 降温快慢的不同

       这是由于铁的比热比瓷锅的比热要大的原因。

       另外，比热乘于物体质量的值被称为热容（单位： [J/K]），是这个物体的温度上升1 K所需要的热量。

2.4 导热系数

       物体有温度差的情况下，热会由温度高的部位向低的部位传递。 导热系数用来表示热传递的容易程度，单位是[W/(m・K)] 。

       比如，分别把热的饮料放在铝制瓶罐和塑料瓶罐。用手去触摸的话，容器中的饮料温度即便是一样的，会感觉铝制瓶罐更热。这是因为相比塑料瓶罐，铝制瓶罐的导热系数更高，有更多的热传递到手中。

图2.5 导热系数的不同

       一般来说，气体的导热系数小于液体，液体小于固体。尤其是金属的导热系数比较高。而空气的导热系数非常低，中空玻璃就是利用了空气的低热传递性能设计的产品。

       在系列（3）里，我们将讨论液体的流动的表现方法以及流动的性质和特点。