物理
要创建流线,可根据已求解的流场、指定的流线边界和释放条件追踪无质量粒子的运动。
粒子运动方程
要追踪粒子运动,可对每个粒子的轨迹方程以分析方法或数值方法进行 (积分) 求解。对于沿局部流场运动的无质量粒子,运动方程可改写如下:
方程 2.419
其中, 是粒子的位置矢量;并且粒子速度 和位置 处的流量速度相同。然后,流域中的 轨迹为流线。
边界条件
Creo Flow Analysis 应用流线边界条件来确定边界处流线的行为。当流线位于流域的边界 (包括外部边界和固流界面,例如壁边界或入口边界) 时,边界处可能发生以下情况之一:
流线会被反射。
流线会进入和/或离开边界。
流线会穿过内部边界区域,如风扇或多孔介质阶跃面。
根据边界处的流线行为,将流动边界条件和流固界面重新划分为三种流线边界条件:开放、对称和壁。
开放 - 允许流线退出和/或进入计算域。开放边界通常是流体流的入口边界或出口边界。也可应用于其他类型的流动边界,如壁和对称。在开放边界处,流线可以根据粒子 (流动) 的速度方向离开或进入域。
为开放边界的单位法矢量,该矢量背向计算域。对于粒子边界速度 (与该点的流动速度相同),开放边界处的流线条件如下:
如果 和速度矢量 背向计算域。这表示粒子或流量穿过边界离开域。粒子在与边界撞击点处从流域中消失。
如果 和速度矢量 指向计算域。这表示粒子或流量穿过边界进入域。此粒子与流入量一起从开放边界释放或射入流体流。粒子是与边界撞击点处流线计算的一部分。
对称 - 流线会在边界上反射。对于流线,对称边界通常对应于流动对称。还可以是粒子释放或离开的位置,其方式与开放流线边界相同。
为对称边界点 处的法向对称单位矢量,其方向背向计算域对称。此外,引入 来指示对称流线边界处的粒子撞击速度 (局部流动速度) 的角度,如下所示。当粒子从对称边界反射时,切向速度保持不变,而法向速度分量仅更改符号。从数学角度来讲,粒子或流线对称边界条件表示如下:
方程 2.420
其中,
粒子反射速度
对称边界在点 处的角度
速度大小
速度大小
由于无质量粒子以局部流动速度移动 (通过流动仿真获得),因此在流线对称边界处对方程 2.419 进行积分时,不需要边界条件。
壁流线边界
对于流线,壁流线边界通常对应于壁流动边界。在流线壁边界处,无质量粒子随着流体流而移动。由于局部流动速度 (即粒子速度) 是通过适当的近壁模型获得的,因此无需显式壁边界条件来求解方程 2.419
流线壁边界可以是外壁和流固界面。对于开放流线边界和对称流线边界,壁流线边界也可以是粒子释放的位置。
粒子释放
从指定的流线边界释放的粒子会提供流线的初始条件和初始值。与 Lagrange 粒子追踪中一样,确定初始条件的过程涉及从边界 (开放、对称、壁和界面) 释放粒子 (方向、位置、粒子数和分布),以及为每个粒子分配属性。
对于流线,每个无质量粒子 在其释放位置 处的初始速度会自动设置为与局部流动速度 相同。在 Creo Flow Analysis 中,“释放粒子”(Release Particle) 选项用于控制流线粒子的释放。
流线动画
要创建流线并将其可视化为曲线,可对每个粒子的轨迹方程 (方程 2.419) 进行数值求解或积分。对于流动解,粒子或流动速度值是已知的,可以在动画时间大小 上对粒子速度进行前向欧拉积分来计算粒子位移:
方程 2.421
其中,
新值
当前值
粒子 (局部流动) 速度
在第一个时间步长中, 为释放位置, 为释放速度:
方程 2.422
请注意,用户指定的动画时间步长 是一个实数乘数,用于对流线进行动画演示。值 1 表示动画曲线与局部速度吻合。 的值将曲线流动速度更改为 与局部流动速度的乘积。
此外,还可以指定“线条粗细”(Line Thickness) 中流线曲线的直径。流线曲线的长度等于局部速度乘以动画时间步长:。此外,为了防止流线追踪过程花费大量计算时间来追踪循环或停滞的流线,可以引入用户输入的“最大积分步长”(Maximum Integral Steps) 来限制流线算法追踪流线的范围。数值越小,计算时间越短,而如果数值非常小,则可能会过早地结束流线。