29, 6月 2022
流体力学中的粘性

记得很小的时候,特别喜欢用手把脸盆里的水搅成一个漩涡,然后看着漩涡的速度慢慢降下来,直到整个脸盘里的水趋于平静。彼时,只会玩泥巴的小编只能看着这种有趣的现象一边傻笑,一边因为不小心把水洒在地上而被妈妈揍。直到多年以后,在《流体力学》的课本上结识了粘性,小编开始理解生活中许多习以为常的流动现象,也认识到原来粘性如此重要…

“粘”,是古汉语规范字“黏”的通俗字形式,意为橡胶或糨糊一样的性质。而英文中viscosity一词,则是来源于一种植物的拉丁文名称“viscum”,也就是槲寄生,其浆果具有黏稠的特性。

在流体力学术语中,粘性指的是流体抗拒变形的能力。粘性越大,其抗拒外界剪切力作用的能力越强,比如搅动杯子里的水轻而易举,但搅动糨糊或者糖浆则有些费力。

对剪应力毫无抵抗的流体被称为理想流体或者无粘流体。不过,只有在极低温度下的超流体才会呈现无粘的属性,而我们常见的液体或者气体都是有一定粘度的。具有极高粘度的流体则在一定程度接近固体属性,比如常温下的沥青。

我们都有这样的生活经验,粘稠的液体加热后,通常粘度会降低。比如公园里做“转转糖”的老大爷,通常要把糖浆加热到一定的温度,才能流畅的做出各种造型。再比如在寒冷的冬季,车辆在启动的一段时间内感觉到动力有一定的下降,换挡也不如平日那么顺滑,也主要是由于发动机、变速箱等动力部件内的润滑油粘度增加而引起。

大部分液体的粘性都会随温度上升而降低,但气体却恰恰相反——通常而言,气体的粘度随温度升高而增大。而液体和气体之所以有如此大的差异,是因为它们产生粘性的机理不同。

下图对比了固体、液体和气体的分子排列示意图,可以看出来,固体分子排列紧密且有序,分子之间被分子力牢牢控制而难以发生随意的运动。液体分子则不会保持固定的形状,但它们仍然致密排列,就像游乐场里的海洋球,因此,液体的分子之间仍具有一定的分子力,而这也是液体粘性的主要来源。

液体分子由于分子力的存在而产生了相互的“纠缠”。而所有的分子或者原子都在自身附近做无规则的振动,当液体温度升高时,这种振动加强导致分子之间的“纠缠”变得松松垮垮,因而液体的粘度降低。事实上,局部振动也会引起液体粘度降低,比如陷入泥潭的动物越挣扎下沉的越快。

而气体分子排列稀疏,分子之间相去甚远,分子力不再是动量传输的主导,而分子间的相互碰撞则成为粘性的来源——比如上层分子运动的同时,也源源不断到下层串门,把邻居家也搅得鸡飞狗跳,带来动量的交换。而气体温度升高时,这种“串门”就更加频繁和剧烈,下层也愈发鸡犬不宁,粘度自然增大。

当然,液体内部也会存在类似于气体一样由于“串门”产生的动量交换,不过相比于液体的分子力而言还很小,不足以主导粘性变化。

正如前面所说,人们很早便感受到了流体具有“粘”的属性,但是如何从科学上表达流体的粘性成为了一个新的问题。作为世界物理学界金字塔尖的男人,牛顿几乎霸屏了整个中学物理课本,当然也没有放过流体。1686年,牛顿经过大量的实验研究,提出了著名的“内摩擦定律”——流体的内摩擦力(即粘性力)的大小与流体的性质(粘性系数μ)有关,并与流体的速度梯度和接触面积成正比。

自牛顿之后,粘性系数成为描述流体属性的一个重要参数,人们可以直观的感受到,粘性大的流体不容易流动,而粘性小的流体很容易动起来,但是如何用流体力学的语言来描述粘性与流动的关系成为了一个问题。

距离“牛顿内摩擦定律”大约两百年之后,还在原来的地方,另一位著名的英国物理学家雷诺通过经典的流体染色实验揭示了流动与粘性的关系:相同的速度、密度和流动尺度条件下,粘度更低的流体更容易趋向于某种混乱的、弯曲的流动,也就是我们后来熟知的湍流。又过了20多年,著名的物理学家索末菲在第四届国际数学大会上第一次明确以“雷诺数”命名了流体力学中最重要的无量纲数,而粘性系数便是雷诺数中不可替代的分母。

随着雷诺实验和雷诺数被提出来以后,近代流体力学,尤其是湍流理论的发展出现了一个前所未有的盛况,而粘性与湍流的关系也顺理成章的转化成了雷诺数和湍流的关系。1974年刊登于《流体力学》期刊中的一篇经典文章,通过流动显示技术生动形象的描绘了雷诺数和流态的关系:随着雷诺数的增大,涡旋的整体形状和尺度基本一致,然而射流掺混的涡系结构却越来越丰富。

而之所以会出现上图中的有趣现象,则要牵扯到湍流的生成、传递及耗散:湍流中的大涡会破碎为小涡,小涡再破碎为更小的“迷你涡”,然后逐渐耗散,这个过程与当地雷诺数相关。当“迷你涡”变得足够小时,根据角动量守恒,涡的角速度将会非常大,意味着局部速度剪切很强,粘性就变得举足轻重了,于是,“迷你涡”就这样被粘性耗散掉了。事实上,涡的尺度足够小时,体现为当地雷诺数非常小,粘性力对流体的影响则显著大于惯性力。

在给定特征长度(大涡尺度)和特征速度(湍流脉动速度)的条件下,流体的粘性几乎决定了耗散涡的大小,即湍动能在什么样的尺度上耗散。大涡的形态取决于几何尺度,当雷诺数足够高且几何尺度不变的情况下,增大雷诺数并不会改变大涡的形态,但是小涡的尺度取决于湍流雷诺数,雷诺数越高的流动需要越小的涡尺度才能完成耗散,因此雷诺数越高的流动,其大涡到小涡的覆盖尺度越复杂。

虽然早在1686年,牛顿就通过实验测得了流体的粘性,可是,当我们携带着粘性回归到流体力学的时候,还是会发现由于粘性的存在,使得实际流体运动的研究变得非常复杂。为了便于理论分析和公式的推导,物理学家们在流体力学中引进了“理想流体”的概念。

理想流体当然是假想的,不过研究无粘流体的运动,可以使问题大大简化,容易得到流体流动的基本规律。1755年,数学家欧拉将微分方程应用到了流体力学的领域,并提出了影响后世的欧拉方程,即牛顿第二定律施加到理想流体上的微分方程。

欧拉提出欧拉方程后不久,人们就认识到方程中缺乏粘性项,这会导致欧拉方程的计算结果和实际产生偏差,比如大家熟知的达朗贝尔佯谬。下图显示了理想流体和实际流体下圆柱绕流的对比,可以看出,无粘流动的结果和实际存在很大的差异。因此,如何在流动方程中添加粘性项成为了跨越百年的流体力学难题。

后来的我们都知道了《流体力学的“白月光”》的故事,直到1845年,结合纳维对粘度的思考和柯西的张量思维,斯托克斯爵士便大展神威,推出了引无数流体人尽折腰的“N-S方程”,该方程定义为“描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程”。迄今为止,该方程仍然是流体力学领域里最通用的流体运动方程。

值得一提的是,对某些粘性影响不大的流动问题,忽略粘性所得到的结果与实际结果往往差别不大。而对于高雷诺数的湍流,在主流中使用欧拉方程,而在粘性影响较大的边界层中使用边界层方程或者经验公式,也能得到不错的结果。

粘性是流体流动的稳定器所言非虚。而CFDer都知道,对于数值计算而言,粘性也至关重要。不过在传统CFD算法中,除了物理粘性之外,还有湍流粘性和数值粘性两个妖魔鬼怪。湍流粘性

湍流粘性来源于雷诺平均的N-S方程,下式中多出来的脉动应力项,称之为雷诺应力。1877年Boussinesq借助于牛顿切应力公式,提出了影响深远的涡粘性假设:雷诺应力正比于时均速度梯度,其中比例系数μt表征了湍流脉动引起的切应力效应,称为涡粘性系数。

湍流粘性虽然是人为定义的,但是也具有相对清晰的物理含义:由于湍流的“上蹿下跳”,给不同速度的流体带来更多的动量交换,类似于物理粘性对流动带来的影响。当然,湍流粘性的更大意义在于,CFDer们逃脱了直接求解NS方程的魔咒,转而走向CFD的工程实用化。数值粘性

而数值粘性则完全是从微分方程离散到差分方程的过程中产生的误差。从数学推导而言,相比于原始的微分方程,从差分方程导出的修正方程中有多余的项。其中二阶项的系数对应常规N-S方程中二阶项的系数,类似于方程中的物理粘性,因此被称为数值粘性。

数值粘性实际上是来源于空间离散的步长是一个有限的小量(而不是无限小),这引起了物理变量在这个小范围内的平均,其效应相当于扩散,并带来了额外的动能耗散,也即是粘性。

不同于湍流粘性有相应的物理含义,数值粘性则由对方程的离散处理而来。增加数值粘性对流场的影响,本质上和增大物理粘性类似,比如使分离区减弱、激波变宽抹平等,本质上改变了整个流场的熵。而从雷诺数的角度理解,增大数值粘性意味着减小了有效雷诺数,从而改变了流态。

从网格离散的那一刻起,数值粘性便隐含在离散方程的迭代中,降低了解的精度。不过数值粘性也常常有利于收敛,堪称CFD的稳定器。而在许多CFD的应用中,数值方法中隐含的数值粘性还不够,求解容易发散,因此人们还会显性添加更多的数值粘性。在《计算流体力学基础及应用》的书中,作者建议道:对于那些必须使用人工粘性的问题,审慎的运用大概率都能获取合理的、有时甚至相当精确的解。但重要的是,你必须知道自己在做什么。

粘性作为流体的稳定器,多年以来让CFDer们又爱又恨。而给自己的程序中添加粘性时,我们仿佛化身食堂打菜的大妈,每舀起一勺总要忍不住抖三抖,生怕加的多了。不过望着窗外可怜的快要发散的小眼神,又忍不住纠结起来。

27, 6月 2022
机器振动特征分析(流体引起的振动一)

与不平衡,不对中,共振等机械振动故障不一样,流体引起的振动与机器类型和工作状态关系密切。

流体机械包括泵,风机,透平,真空泵等,因为叶轮对流体(液体或气体)作功,都固有地产生液动力和气动力。

当叶片通过静止件附近(诸如扩压叶片或出口涡壳)时,叶片每次承载或卸载的压力变化或脉动产生这些力。

如果一个人站在空间某固定点,观察6片叶片的泵轮,叶轮每转一转,他将感觉到6个扰动力脉冲。

1.如果叶轮中心与其壳体中心不重合,并与扩压器未恰当对准,将产生叶片通过频率及其谐波频率的明显振动。例如,如果叶轮与扩压器叶片之间的一边间隙为6毫米,而另一边间隙为12毫米,则将产生一系列叶片通过频率,振动幅值很大。除非有特殊设计要求(如在某些类型泵和风机中),整个圆周的所有间隙都应该相等。

3.如果扩压器的焊接叶片有问题,其相对于叶轮稍有移位,叶片通过频率的振动将会大大增加

5.有些特殊风机的叶片通过频率振动对风门的调节非常敏感。当调节风的开度时,叶片通过频率振动会受到很大的影响。这个振动一般不会对机器及其零部件造成破坏,除非振动超过7.5~10mm/s ● 具有旋转叶片和静止扩压叶片的离心机,有时可产生叶片比频率 (BRF).BRF与旋转叶片和静止叶片彼此相重合的倍数和比率有关。当旋转叶片和静止叶片相处重合时,在旋转叶片与静止叶片之间流体的压缩可能导致明显的脉冲。在某瞬时,两组或多组叶片同时重合所产生的脉冲,比只有一组重合所产生的脉冲大得多。因此,要避免旋转叶片数和扩压叶片数有公约数。

1.叶片比频率BRF(72×转速频率)比叶片通过频率BPF(18×转速频率)高4倍。并且,这台机器由于一组以上旋转叶片和静止叶片彼此重合,6个叶轮叶片在0度,60度,120度,180度,240度和300角度处对准扩压器叶片,导致明显的叶片比频率(BRF)脉冲。

2.如果机器叶轮叶片数为17,扩压器叶片数为25,则没有一个瞬间会有一组以上叶轮叶片与扩压器叶片彼此对准,振动将较小。

27, 6月 2022
力诺流体赴温州泵阀工程研究院开展合作交流

2021年8月27日,浙江力诺流体科技有限公司人力资源部经理欧成毅和技术研发部经理陈雷一行赴兰州理工大学温州泵阀工程研究院开展合作交流活动,与研究院院长曹驰、副院长张伟政、技术部部长陈志林进行了座谈交流。

座谈会上,陈雷介绍了力诺流体科技有限公司近几年的发展状况及主营产品,并表示随着公司规模的不断扩大,对于高素质、高学历人才的需求十分迫切,希望能借助研究院在高端人才培养方面的优势,提升力诺员工的整体层次,助力企业快速发展。

曹驰将研究院和研究生分院近期的运营情况、产教融合模式等方面的内容进行了介绍,同时希望双方能在已有的基础上,进一步加强院企互动,找准产学研合作的切入点,全方位开展院企合作,为企业提供有力的技术支持和人才支撑。张伟政就研究生企业实践的具体细节和欧成毅经理进行了沟通,并初步达成了合作意向。

之后陈雷一行在陈志林带领下参观了研究院实验室,对力诺和研究院前期合作开展的项目执行情况进行了详细的考察,同时希望后续和研究院在技术项目上开展更多更深入的合作。

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27, 6月 2022
全国最大的“航天液体动力展示中心”在西安开馆

4月24日,在第七个“中国航天日”,航天科技集团六院(简称航天六院)“航天液体动力展示中心”建成并投入使用。

“航天液体动力展示中心”是目前国内最大的展示中国航天液体动力发展历程和发展成就的综合性展览馆,位于航天六院液氧煤油发动机新区西安航天发动机有限公司园区内。该展示中心展陈面积1500平方米左右,由序厅、宇航产品展区、核心能力展区、产业发展展区、历史文化展区等7个展区组成。通过高科技手段和声光电相结合等多种形式,不仅展示了液体动力事业艰苦奋斗、创新超越的发展历程,也展示了几代航天动力人发扬航天精神、矢志航天报国的美好情怀;不仅展出了国内最为齐全的液体火箭发动机系列产品,也展示了液体动力技术助力国民经济发展、服务百姓美好生活的一系列创新成果。

在第七个“中国航天日”当天,“航天液体动力展示中心”展出的一件件精彩展品,一幅幅珍贵画面,承载着几代航天动力人每一次意义深远的启航,也铭记着他们不变的初心。半个多世纪以来,航天六院研制的火箭发动机及空间推进系统不断推举中国航天飞向新的高度。在中国航天液体动力艰辛壮美的发展历程中,航天六院人沉淀了一份刻骨铭心的记忆,也将在未来继续锐意进取、奋力拼搏,加快建设世界一流航天液体动力公司,肩负起“发展航天、动力先行”的责任担当,履行液体动力全面赶超世界先进水平的使命责任。

上一篇:航天基地神舟五路社区联合航天城第四小学家委开展大清扫新时代文明实践活动

27, 6月 2022
新闻资讯|流体力学特性更强 劳斯来斯“奥斯卡小金人”将迈入最新版本

[懂车帝原创设计 商品] 日前,有国外媒体曝光了一组劳斯来斯上代表性原素,别名“奥斯卡小金人”——欢庆女神全新制定的官图。新的外观设计的欢庆女神仍然选用了两腿弯折、身体前倾的俯冲状态,但在小细节上有一定的调节,其规格相比有该款车系上的雕像会小一些。

新版本欢庆女神的大小在极度上有一定的调节,有信息表明其相对高度预估将从该款雕像的100.01mm降到82.37mm。除此之外,羽翼的视角也相对性更为趋于于水准,而羽翼及其衣摆的外观也更为光滑,除开看起来更为精美、雅致之外,这种小细节层面的调节可以让雕像在一定水平上减少其空气阻力系统软件。

劳斯来斯CEOTorsten Muller-Otvos表明:“欢庆女神会像劳斯来斯知名品牌一样自始至终开拓创新,但与此同时也会忠于自己的本能和性情。新的外观设计比之前什么时候都更为雅致,与此同时具备很好的流体力学特性,以兼容电动式化时期。”

据统计,劳斯来斯集团旗下第一款电动汽车型Spectre(闪灵)将于2023年现身,与此同时此车将安装最新版的欢庆女神雕像。新汽车根据该知名品牌集团旗下的Architecture of Luxury铝质奢华构架打造出。闪灵可能在前后左右轴各配备一台驱动电机,前轴电动机的最高值功率为258大马力,后轴电动机的功率为489大马力,系统软件综合性功率619大马力,综合性扭距1015牛·米。