关于流固耦合

fengqiguojun

在进行流固耦合分析时为什么将流体模型设置无量钢化？设置与不设置有什么区别？

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以下摘自武汉游侠的《ADINA技术要点笔记2.0版》
先对武汉游侠的辛勤劳动和无私分享表示感谢^_^




流体力学无量纲化分析
流体力学的控制方程（N-S方程）从数学的角度来看，在不同条件下可以分为椭圆、抛物和双曲型，不同类型的方程应该尽量采用相应的求解方法，比如说亚声速流动，任意一点的扰动是传遍全场的，也就是说在数学上具有椭圆型方程的性质。在无粘超声速流动中任意一点的扰动只有有限的依赖域和影响域，因此具有波的传播性质，可以归结为双曲型方程，双曲型方程最大的一个特点就是存在弱解，具体地说就是任何一个光滑的初始条件都可能演变为具有间断的解，因此在现代空气动力学中如何准确或者说尽量准确的捕捉间断的位置和形状是最难解决的问题。 因此在解决CFD问题之前首先要了解流动方程的类型，而判断方程类型的最主要一个参数就是马赫数，所以从这个角度来讲无量纲化有助于针对特定的方程选择特定的求解方法。
从流动实验的角度来看，模型的缩放，人工流场的实现也离不开这些无量纲参数。在低速风洞中雷诺数能否准确模拟很大程度上影响了层流到湍流专捩位置。这个雷诺数也是无量纲参数。在高超声速风洞中有的要模拟低密度，那么描述密度大小的无量纲参数就是Knudson数（拼写似乎不对）。所以在实验流体力学中无量纲参数也决定了流动的性质，实际的实验只能针对具体关心的问题选择合适的无量纲参数进行模拟，而不可能完全模拟实际的流动状态。
理论分析中，无量纲化也是一个简化问题的手段，尤其是在飞行器相关的空气动力学中，如何正确的忽略所谓的高阶项，也取决于马赫数的大小。在边界层理论中也很类似，没有无量纲化也没有所谓的相似解和动量积分关系式。 所以说无量纲化在整个流体力学，尤其是空气动力学的发展历史中占有极为重要的地位。
但从目前计算流体力学的发展来看，无量纲化并不是必须的，有时候似乎可以简化编程，但往往也会让人没有具体的针对现实世界的参考概念。
无量纲化以后，流体的流动特性可以通过雷诺数，马赫数，傅劳德数等反映出来。
对于方程，无量纲化可以减少变量的个数，有利于方程的求解。极端的例子是，可以直接通过无量纲化和量纲分析得出变量之间的关系式。
对于实验，无量纲参数的作用就更明显了。因为实验的相似准则分四个层次：几何相似，运动学相似，动力学相似，热力学相似，不同的准则需要不同的无量纲参数相等。所以实验的要求不同，就可以根据需要的相似准则确定实验参数。
可能也是一种习惯，早期的流体力学研究都是解析和半解析，所以用无量纲化方程有时会有利求解。因此留下的方程也大多是无量纲的，一代传一代，就成了习惯了。包括现在，很多搞流体的，由于老板擅长用解析方法，所以也学会了一整套的解析解办法，求方程时，根本不问为什么，先无量纲化了再说。甚至一些老先生在审文章和项目时，看到没有无量纲化的非常不爽，非要你无量纲化了之后才行。
学空气动力的时候，无量纲很重要，因为考虑理论计算与实验的对比，相似率是必须用的，否则没法比较，马赫数，雷诺数的引入可以解决这个问题。再就是对于计算收敛性考虑，对于高速、大尺度和粘性问题，这个无量纲可以使计算更好进行。后来做一些别的工业运用的流体力学，低速、小尺度或层流流动，这个时候无量纲就显得不是那么重要了。这与他们所具有的流动特性有关。
归一化是为了编制程序的时候方便，解决一个类型的方程的数值求借程序就全部ok了，也有利于对方程的理解无量刚化是为了计算时候避免过大或者过小的数，比如判断收敛是用残差判断的，而默认的残差标准各个方程是一样的，如果不使用无量刚，那么有的植天生的就大，有的天生的就小，就不好办了。用无量刚之后大家都差不多数量及便于统一啊

daitaocj

那个笔记哪儿有，好东西，我想看看哦