流體邊界

流體，是與固體相對應的一種物體形態，是液體和氣體的總稱。由大量的、不斷地作熱運動而且無固定平衡位置的分子構成的，它的基本特徵是沒有一定的形狀並且具有流動性。

流體邊界可用於區分流體與固體，流場中邊界受力研究並不是一個新穎的課題，研究成果豐富。基於CFD的研究可以得到很多流場信息，但是計算結果不免會有誤差。

邊界滑移也稱界面滑移或壁面滑移，是指固體表面上的流體分子與固體表面之間存在相對切向運動速度。

基本介紹

• 中文名：流體邊界
• 外文名：Fluid boundary 
• 一級學科：航空航天
• 二級學科：空氣動力學
• 流體：液體和氣體的總稱
• 邊界滑移：也稱界面滑移或壁面滑移

流體

流體，是與固體相對應的一種物體形態，是液體和氣體的總稱。由大量的、不斷地作熱運動而且無固定平衡位置的分子構成的，它的基本特徵是沒有一定的形狀並且具有流動性。流體都有一定的可壓縮性，液體可壓縮性很小，而氣體的可壓縮性較大，在流體的形狀改變時，流體各層之間也存在一定的運動阻力（即粘滯性）。當流體的粘滯性和可壓縮性很小時，可近似看作是理想流體，它是人們為研究流體的運動和狀態而引入的一個理想模型。是液壓傳動和氣壓傳動的介質。

固體和流體具有以下不同的特徵：在靜止狀態下固體的作用面上能夠同時承受剪下應力和法向應力。而流體只有在運動狀態下才能夠同時有法向應力和切向應力的作用，靜止狀態下其作用面上僅能夠承受法向應力，這一應力是壓縮應力即靜壓強。固體在力的作用下發生變形，在彈性極限內變形和作用力之間服從胡克定律，即固體的變形量和作用力的大小成正比。而流體則是角變形速度和剪下應力有關，層流和紊流狀態它們之間的關係有所不同，在層流狀態下，二者之間服從牛頓內摩擦定律。

當作用力停止作用，固體可以恢復原來的形狀，流體只能夠停止變形，而不能返回原來的位置。固體有一定的形狀，流體由於其變形所需的剪下力非常小，所以很容易使自身的形狀適應容器的形狀，在一定的條件下並可以維持下來。

格線重構對計算流體邊界受力的影響

流場中邊界受力研究並不是一個新穎的課題，研究成果豐富。基於CFD的研究可以得到很多流場信息，但是計算結果不免會有誤差。在液力變矩器研究中，利用實驗方法測量其軸向力非常困難，用CFD數值模擬的方法定量分析會用到動格線技術。目前動態格線技術主要有4種方法:彈性變形方法(Spring- Based Smoothing Method)，動態層法(Dynamic Layering Method)，局部重構方法(Local Remeshing Method)和ALE方法(Arbitrary Langrangian Eulaerian Element)。動格線技術在套用時非物理震盪是不可避免的，技術性的避免這種非物理震盪是CFD努力的方向。當問題不能直接解決和間接迂迴時，在CFD中探索動格線計算可靠性也是一個很好的研究切入點，進一步如何從這些帶有誤差的信息當中挖掘出真實的流場數據也是CFD一個努力的方向。前人在計算流體介觀方法，同樣發現力的偏差存在且很大，同時用相同圓柱繞流的算例來分析格線對結果的影響。本文分別用靜格線和動格線的技術來計算，研究了靜格線和動格線的影響，包括格線的種類、疏密尺寸及布局等不同對計算結果的影響。

首先的研究工作以二維算例做試驗，因為二維單個case的計算量小，便於對大量case進行計算分析，從而找尋切入方向和規律，有一定結論作指引後，我們再開始分析三維格線。所做的數值試驗是通過二維channel流中的柱體繞流，分別以靜格線和動格線計算，靜格線計算時流體動圓柱始終不動，動格線計算時流體初始不動圓柱動，其實是一個算例，這裡套用了類似風洞的運動參照系轉換相對性原理。

弱可壓縮流體邊界處理

基於物理的流體模擬方法一直是計算機動畫領域的一個研究熱點和難點，在影視特效、廣告和遊戲中得到了廣泛套用。其中，光滑粒子流體動力學 (Smoothed ParticleHydrodynamics，SPH) 方法因其能夠保證質量守恆，便於實施人為控制，容易捕捉浪花飛濺、泡沫等細節現象而在互動式模擬領域特別是遊戲中得到了大量套用。但是由於現實生活中水等流體並不是可壓縮的，而SPH方法起初是針對可壓縮流體而設計，當用該方法模擬真實感流體場景時，會產生明顯的視覺失真，這也極大限制了該方法在對視覺效果要求較高的行業，比如影視特效和廣告中的套用。

聶霄針對流體與固體邊界的互動模擬問題，提出一種基於弱可壓縮光滑粒子流體動力學(SPH) 的邊界處理算法。首先，引入一種新的體積權重函式，解決固體邊界非均勻採樣區域流體密度的計算誤差問題; 然後，提出一種新的邊界力計算模型，避免校正流體粒子位置信息，保證固體邊界不可穿透; 最後，提出一種改進的流體壓力計算模型，保證流體的弱可壓縮性。實驗結果表明，所提算法可以有效地解決基於位置校正的邊界處理方法在模擬弱可壓縮流體與非均勻採樣固體邊界互動時存在的穩定性問題，且僅需邊界粒子的位置信息，在節約記憶體的同時避免了位置校正所帶來的額外計算開銷。

邊界滑移

邊界滑移也稱界面滑移或壁面滑移，是指固體表面上的流體分子與固體表面之間存在相對切向運動速度。邊界滑移問題的實驗研究和計算模擬主要以發現邊界滑移現象、研究邊界滑移產生機理以及各種因素對邊界滑移的影響規律為主要目的。此外，數值理論分析主要研究邊界滑移的物理模型以及邊界滑移對流動系統流體動力學行為的影響，為相關流體系統的設計、製造和使用提供理論指導。

實驗研究是發現邊界滑移現象最有說服力的手段。近年來，隨著現代測試技術的發展，尤其是微納技術的進步，越來越多的實驗設備被用於研究邊界滑移問題。最常見的邊界滑移實驗技術可以分為兩類:一類是直接測量技術，另一類是間接測量技術。

（1）直接測量技術

直接測量技術的原理是基於光學成像理論，通過觀察近壁面處被標記粒子的流動來推斷整個流體的流動。典型的直接測量手段有微顆粒圖像速度測量技術和螢光漂白恢復技術。

（2）間接測量技術

間接測量技術通過測量一些受邊界條件影響的物理量(力、位移等)，然後與經典無滑移理論結果以及考慮邊界滑移時的理論計算結果進行對比，從而間接判斷是否發生邊界滑移以及邊界滑移長度的大小。最常見的間接測量技術是表面力儀和原子力顯微鏡。

分子動力學模擬的基本原理是將連續介質還原成由分子和原子組成的粒子系統，通過數值求解粒子體系經典力學運動方程的方法得到體系的相軌跡，並統計體系的結構特徵與性質，得到連續介質的巨觀特性。目前，得益於分子動力學模擬理論、方法和計算機技術的發展，該方法已經成為繼實驗和理論手段之後，從分子水平了解和認識世界的第三種手段。

和實驗手段相比，分子動力學模擬的優勢在於:（1）無需製備帶有微、納尺度粗糙峰的表面;（2）可以方便地設定固一液界面特性，進而單獨研究某一因素對邊界滑移現象的影響規律;（3）能夠方便地研究邊界滑移現象產生的機理。另一方面，受限於現階段計算機水平的發展，目前還無法進行大型的分子動力學系統的模擬計算。

運用分子動力學技術來模擬流體流動的邊界條件始於20世紀90年代，並且大量的模擬結果已證實:邊界滑移現象是一種真實存在的物理現象。在進行模擬計算時利大多採用非平衡態分子動力學模擬方法，其基本原理是通過對模擬系統施加擾動用系綜的自然波動出現的回響，再利用統計的手段獲取想要的巨觀特性。例如，計算粘度時，通常以給流體施加的剪應變率作為輸入的擾動，以剪應力作為回響，進而計算得到流體的粘度。