层流是指流体中的粒子沿一个方向移动，几乎没有或完全没有垂直于流动方向的运动。而湍流则发生在流体粒子垂直于流动方向移动时，通常以称为涡旋的漩涡形式出现。流体的特性，如流速、密度和粘度，以及流体在其中流动或围绕其流动的物体的几何形状，共同决定了流体何时从层流转变，以及湍流状态的混乱程度。
这种关键的流体流动特性影响着诸多方面，从汽车产生的噪音，到飞机的燃油效率，再到化学品混合的速度。尽管理论上完全层流是可能的，但在实际应用中相对少见。因此，工程师需要预测并管理他们所设计物体内部及周围的层流和湍流。
1、流动特性描述中使用的关键术语
要了解层流和湍流的区别，一个很好的切入点是梳理工程师用于描述流动特性的一些关键术语。
l边界层：边界层是流体流经表面时，紧邻该表面的一层薄薄的流体，其中流体速度从表面处的零值变化到流体的自由流速度。流体的粘性在表面上形成了无滑移边界条件。自由流速度、流动长度、粘度以及边界层中的湍流程度决定了边界层的厚度。
l平均流速：平均流速指的是流体的整体平均速度。它通过测量体积流量除以测量平面的横截面积来计算。
l涡旋：涡旋是指流体粒子 偏离整体流体流动方向的运动 。涡旋可以是漩涡、涡流，或者是围绕主流方向的简单波动。
l流体动力学模拟推动设备设计：
¢雷诺数方程：
¢=流体密度
¢=流速
¢=特征尺寸，如管道直径、水力直径、等效直径、机翼弦长
¢=流体动力粘度
¢=运动粘度
¢流动分离或边界层分离：当边界层流动由于不利的压力梯度导致表面附近的速度反向，从而使边界层流体从表面脱离时，就会发生流动分离。
¢自由流：自由流是指边界层以外的流动区域。
¢内部流动和外部流动：内部流动描述的是流体在垂直于流动方向的所有侧面都被固体边界限制的情况。外部流动则描述流体围绕物体的流动。流体在物体内部流动（如管道流动）或围绕物体流动（如飞机机翼周围的流动）时，其行为是不同的。
¢纳维-斯托克斯方程：纳维-斯托克斯方程是一组描述粘性流体流动的方程。计算流体动力学（CFD）程序将纳维-斯托克斯方程与其他方程相结合，以预测大多数流体流动情况的行为。
¢流态：流态或流动模式，是对流动结构和行为的一种描述。流态由诸如速度、粘度、相态以及层流或湍流等特性决定。
¢雷诺数（Re）：雷诺数是一个无量纲值，用于表征流体流动中惯性力与粘性力的比值。该值源于奥斯本·雷诺为了解水在管道中的流动以及何时从层流转变为湍流所做的实验。惯性力和粘性力的比值能够很好地预测流动何时从层流转变为湍流。
¢速度剖面：速度剖面是指流体沿任意一条直线或平面的流动速度。该直线或平面通常垂直于平均流动方向或某个表面。速度剖面展示了边界层中的速度梯度，并用于计算质量流量。
¢粘度：流体的粘度是衡量流体在给定速率下抗变形能力的指标。它表征了流体平行层之间的内摩擦力。
2、什么是流体流动
l什么是层流？
层流是一种流动状态，其中流体粒子沿着平滑且稳定的流线运动，相邻层之间粒子的运动很少。层流的特点是雷诺数相对较低，因为粘性力远大于速度。流体的类型和特性，以及流体围绕或通过的任何固体物体的几何形状和表面粗糙度，都会影响层流能够维持的时间。层流的速度剖面从边界层处的零值单调增加到自由流速度。
l什么是湍流？
湍流的特点是流体粒子速度的大小和方向以及压力振幅呈现出混乱的变化。湍流的雷诺数较高，其中速度和特征尺寸远高于流体的粘性阻尼。具体数值取决于流体特性以及流体在其中流动或围绕其流动的物体。湍流高度不规则，几乎不可能详细预测或测量。因此， 工程师从统计角度来处理湍流问题 。
3、为什么理解层流和湍流都很重要？
工程师关注层流和湍流，因为每种流态都会影响他们所处理流体的物理特性。有时，你可能希望尽可能长时间地保持流体为层流，而在其他时候，你可能需要湍流。以下是工程师应该了解的一些情况，以及不同流动模式所起的作用。
l热传递：热量从物体传递到流体的过程在很大程度上取决于与表面垂直和平行的流速。较高的速度和湍流会增加从物体到周围流体的热通量。工程师在设计加热和冷却系统时，常常会设法增加湍流，以最大化物体与流体之间的热传递。
l升力：升力是指流体围绕固体物体流动时，由于物体一侧压力升高而另一侧压力降低，从而在物体一侧产生的净力。 边界层内的湍流可以增加压力差，但自由流中的高水平湍流会降低升力，或者在产生升力的物体上引起不必要的振荡力 。
l阻力：阻力是流体作用在物体上或流经物体时，沿流动方向施加的力。在大多数情况下，边界层中的湍流会增加物体所受的阻力。设计师会花费大量时间进行模拟和风洞试验，调整车辆和飞机的空气动力学设计，以尽量减少阻力。
l噪音：当物体周围的气流转变为湍流时，涡旋会产生可听范围内的声波。噪音不仅是能量的浪费，而且可能大到令人厌烦，甚至对健康有害。
l混合：湍流有益的一个领域是混合。在燃烧、水处理和化学制造中，工程师设计的系统利用湍流的混乱流动来混合不同的流体，以提高化学反应的速度和效率。
4、在模拟中对层流和湍流进行建模
l层流建模：在通用的CFD工具（如Ansys Fluent流体模拟软件）或专注于旋转机械的工具（如Ansys CFX软件）中，通过求解纳维-斯托克斯方程可以很好地描述层流。在对层流进行建模时，最重要的任务是要有足够的精度来预测流动何时会转变为湍流。你的网格应在边界层中具有足够的分辨率，以准确捕捉速度剖面。指定准确的壁面粗糙度并以足够的分辨率捕捉表面几何形状也很重要。
l在CFD中预测层流-湍流过渡流动：虽然查看模型中的雷诺数范围可以帮助你确定过渡流动发生的位置，但建议的范围通常指的是理想情况，在实际应用中很少出现。如果你假设模型整个长度上都是湍流，可能会高估壁面上的剪切应力。这就是为什么Ansys基于局部相关性过渡建模（LCTM）的概念，率先进行了过渡流动的数值预测。为了准确预测，应使用包含能够准确预测过渡流动方程的湍流模型。
l用于湍流的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型：湍流有两类简化方程。第一类是RANS模型。这种方法将流动量分解为波动分量和时间平均分量。RANS模型是基于实证研究的近似模型。有许多可用的RANS模型。以下是一些更常用的RANS模型：
¢尽可能准确地表示几何形状。
¢将入口和出口设置在流动明确的区域。
¢确保你的流体属性（如密度和粘度）准确。
¢在边界层中设置精细分辨率，并逐渐过渡到较粗的网格区域。
¢使用迭代网格细化来获得准确的网格。
¢使用准确的边界条件。
¢如果可行，使用二阶数值方法。
¢对不同的RANS模型或模型内的参数进行迭代，以匹配实验数据。
¢Spalart-Almaras（SA）：一种用于外部空气动力学的简单单方程模型。
¢两方程模型：这是一类基于较旧的 和 公式的RANS模型。剪切应力输运（SST）、基线（BSL）和广义 （GEKO）模型可单独使用或组合使用，以准确预测工业应用中的湍流。
¢使用RANS模型的一些最佳实践：
l用于湍流的尺度分辨模拟（SRS）模型：第二类湍流建模方法是尺度分辨模拟，它求解随时间和空间变化的湍流流体流动，而不是对时间进行平均。SRS的大多数应用使用大涡模拟（LES）模型来求解较大的涡旋，同时对较小的涡旋进行建模。LES模型经过一段时间的改进和验证。与RANS模型相比，它们需要更多的单元和更长的运行时间。
¢尺度自适应模拟（SAS）
¢分离涡模拟（DES）
¢屏蔽分离涡模拟（SDES）
¢应力混合涡模拟（SBES）
¢嵌入式LES（ELES）
¢计算能力的提升，尤其是GPU的使用，使得SRS模型能够用于工业流动，并产生了各种SRS/RANS混合模型，包括：
¢正确使用SRS模型（尤其是LES模型）的最佳实践与RANS模型有很大不同：保持低纵横比的单元尤为重要，因为湍流涡旋需要在所有三个空间方向上进行解析。此外，严格的时间步长限制适用于确保对湍流场有适当的时间分辨率。最后，LES的质量在很大程度上取决于是否有专门的数值处理方法，以尽量减少数值耗散的影响。
