FluidFlowPDEComponent

FluidFlowPDEComponent[vars,pars]

生成带有变量 vars 和参数 pars 的流偏微分方程项.

更多信息

  • FluidFlowPDEComponent 返回用作偏微分方程一部分的微分算子之和:
  • FluidFlowPDEComponent 模拟粘性流体在外加力和约束条件下的流流动.
  • FluidFlowPDEComponent 创建偏微分方程分量以进行稳态、时间相关的参数分析.
  • FluidFlowPDEComponent 模拟流体流动现象,速度 以 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], {"m", , "/", , "s"}, meters per second, {{(, "Meters", )}, /, {(, "Seconds", )}}}, QuantityTF]] 为单位, 为自变量,单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], "m", meters, "Meters"}, QuantityTF]],时间变量 单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], "s", seconds, "Seconds"}, QuantityTF]].
  • FluidFlowPDEComponent 创建二维和三维空间中的偏微分方程分量.
  • 静态变量 varsvars={{u[x1,,xn],v[x1,,xn],,p[x1,,xn]},{x1,,xn}}.
  • 时间相关变量或本征模变量 varsvars={{u[t,x1,,xn],v[t,x1,,xn],,p[x1,,xn]},t,{x1,,xn}}.
  • FluidFlowPDEComponent 生成的不同分析类型的方程取决于 vars 的形式.
  • FluidFlowPDEComponent 使用向量值的纳维-斯托克斯方程与连续性方程相结合创建方程组.
  • 流体动力学偏微分方程 FluidFlowPDEComponent 的时变平衡方程基于纳维-斯托克斯方程和连续性方程,其中 为质量密度,单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], {"kg", , "/", , {"m", ^, 3}}, kilograms per meter cubed, {{(, "Kilograms", )}, /, {(, {"Meters", ^, 3}, )}}}, QuantityTF]], 为流体速度,单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], {"m", , "/", , "s"}, meters per second, {{(, "Meters", )}, /, {(, "Seconds", )}}}, QuantityTF]], 为时间,单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], "s", seconds, "Seconds"}, QuantityTF]], 为粘性应力张量,单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], "Pa", pascals, "Pascals"}, QuantityTF]], 为压强,单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], "Pa", pascals, "Pascals"}, QuantityTF]], 为单位矩阵, 为体积负荷矢量,单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], {"N", , "/", , {"m", ^, 3}}, newtons per meter cubed, {{(, "Newtons", )}, /, {(, {"Meters", ^, 3}, )}}}, QuantityTF]]:
  • 在可压缩形式中,粘性应力张量 给定为:
  • 在这里, [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], {"s",  , "Pa"}, second pascals, {"Pascals",  , "Seconds"}}, QuantityTF]] 是动力黏度,而无限小、微小变形应变率测量 [1/TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], "s", seconds, "Seconds"}, QuantityTF]]给定为:
  • FluidFlowPDEComponent 根据质量密度 值的性质,创建可压缩或不可压缩流体流动的偏微分方程模型.
  • 可压缩流体动力学模型给出如下:
  • 对于恒定的质量密度值 ,质量连续方程简化为体积连续方程 ,粘性应力张量随之简化为 .
  • 不可压缩流体动力学模型给出如下:
  • 稳态平衡方程有 .
  • 纳维-斯托克斯模型的项是力密度,单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], {"N", , "/", , {"m", ^, 3}}, newtons per meter cubed, {{(, "Newtons", )}, /, {(, {"Meters", ^, 3}, )}}}, QuantityTF]].
  • 质量连续方程模型项的单位涉及力密度,单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], {"kg", , "/(", , {"m", ^, 3}, , "s", , ")"}, kilograms per meter cubed second, {{(, "Kilograms", )}, /, {(, {{"Meters", ^, 3},  , "Seconds"}, )}}}, QuantityTF]],而体积连续方程的单位为[1/TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], "s", seconds, "Seconds"}, QuantityTF]].
  • 层流流动通常出现在 的情况下,其中 是雷诺数.
  • 雷诺数 的定义为 ,其中 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], "m", meters, "Meters"}, QuantityTF]] 是特征长度, 是流速.
  • 可以给出以下参数 pars
  • 参数默认值符号
    "DynamicViscosity"-
  • ,动力粘度,单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], {"s",  , "Pa"}, second pascals, {"Pascals",  , "Seconds"}}, QuantityTF]]
  • "FluidLoad"0
  • ,体积力密度,单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], {"N", , "/", , {"m", ^, 3}}, newtons per meter cubed, {{(, "Newtons", )}, /, {(, {"Meters", ^, 3}, )}}}, QuantityTF]]
  • "FluidDynamicsMaterialModel""Newtonian"
    "MassDensity"-
  • ,密度,单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], {"kg", , "/", , {"m", ^, 3}}, kilograms per meter cubed, {{(, "Kilograms", )}, /, {(, {"Meters", ^, 3}, )}}}, QuantityTF]]
  • "Material"-
    "ModelForm""Conservative"
    "ReynoldsNumber"-
  • 如果 "Material" 已指定了,则材料常数将从材料数据中提取;否则,需要指定相关的材料参数.
  • 可以指定雷诺数 ,而不是材料参数:
  • 默认的材料模型是牛顿流动模型.
  • 可以通过在参数 pars 中设置 "FluidDynamicsMaterialModel" 键来指定替代的材料模型.
  • 以下是可用的非牛顿材料模型:
  • 材料模型名称
    "PowerLaw"
    "Carreau"
    "Bingham-Papanastasiou"
    "Herschel-Bulkley-Papanastasiou"
  • 对于可压缩的非牛顿流体,粘性应力张量 的定义如下:
  • 表观粘度 是剪切速率 的函数.
  • 可以通过 "FluidDynamicsMaterialModel"-><|"ModelName"-><|...|>|> 来指定具有 "ModelName" 的材料模型的附加材料模型特定参数.
  • "PowerLaw" 模型,作为一个通用模型,实现了 .
  • 可以为 "PowerLaw" 模型给出以下参数:
  • 参数默认值符号
    "PowerLawExponent"
  • ,指数
  • "MinimalShearRate",最小剪切速率
    "ReferenceShearRate",参考剪切速率
    "PowerLawViscosity",幂律粘度
  • 通用的 "Carreau" 模型适用于聚合物或血液流动,实现了 .
  • "Carreau" 模型可以设置以下参数:
  • 参数默认值符号
    "PowerLawExponent"
  • ,指数
  • "TransitionExponent"2,指数
    "InfiniteShearRateViscosity",无限剪切速率下的粘度
    "Lambda",松弛时间,单位为 [TemplateBox[{InterpretationBox[, 1], "s", seconds, "Seconds"}, QuantityTF]]
    "ZeroShearRateViscosity",零剪切速率下的粘度
  • "Carreau" 模型也可用于 Cross 模型,其中 ,且 .
  • "Bingham-Papanastasiou" 模型适用于粘塑性材料,实现了 .
  • "Bingham-Papanastasiou" 模型可以设置以下参数:
  • 参数默认值符号
    "PlasticViscosity"
  • ,塑性粘度
  • "YieldStress",屈服应力
    "ShearRateFactor",剪切速率因子
  • "Herschel-Bulkley-Papanastasiou" 模型,"PowerLaw""Bingham-Papanastasiou" 模型的混合,实现了 . 该模型使用幂律计算 BinghamPapanastasiou 模型的塑性粘度 ,并且可以设置两个模型的参数.
  • 自定义表观粘度函数 fun 可以指定为 "FluidDynamicsMaterialModel"-><|"Custom"-><|"ApparentViscosityFunction"->fun|>|>.
  • 自定义表观粘度函数 fun 的函数签名是 fun[name_,vars_,pars_,data__].
  • 自定义粘性应力张量函数 fun 可以指定为 "FluidDynamicsMaterialModel"->fun.
  • 自定义粘性应力张量函数 fun 的函数签名是 fun[vars_,pars_,data__].
  • 非等温流动可以通过 Boussinesq 近似来建模.
  • FluidFlowPDEComponent 使用 "SIBase" 单位. 几何图形必须采用与偏微分方程相同的单位.
  • 如果 FluidFlowPDEComponent 取决于在关联 pars 中指定为 ,keypi,pivi,] 的参数 ,则参数 将替换为 .

范例

打开所有单元关闭所有单元

基本范例  (4)

定义一个流偏微分方程模型:

定义一个符号流偏微分方程:

定义雷诺数为 100 的稳态流偏微分方程模型:

求解雷诺数为 1000 的驱动腔中的流速和压力:

可视化流体的速度:

范围  (8)

定义特定材料的流偏微分方程模型:

指定动态粘度为 、质量密度为 的流偏微分方程:

Activate 激活一个特定材料的流偏微分方程模型:

指定二维符号稳态流体动力学偏微分方程,其中动态粘度为 ,质量密度为

指定三维符号稳态流体动力学偏微分方程,其中动态粘度为 ,质量密度为

定义一个与时间相关的流偏微分方程模型:

指定二维符号式时间相关的流体动力学偏微分方程,其中动态粘度为 ,质量密度为

如果质量密度 是空间或时间的函数 ,则生成可压缩流体动力学偏微分方程:

如果质量密度 是常数,则生成不可压缩流体动力学偏微分方程:

应用  (3)

稳态分析  (1)

求解腔体中的速度和压力,其中流体在盒子的顶部被驱动:

可视化流体的速度:

非牛顿流体  (1)

使用幂律流体流动模型计算开放通道中非牛顿流体的流体流动.

设置区域:

设置变量、流动参数以及非牛顿幂律流体的指数和幂律粘度参数:

使用给定的流入剖面 {1/2,0} 并将流出压力设置为 0 来求解. 将壁面设置为无滑移壁:

可视化该区域的速度:

绘制从通道中部到顶部的流量剖面,比例为 1:

时变分析  (1)

求解一个与时间相关的驱动腔问题.

创建并可视化一个辅助函数,以在盒子顶部逐渐增加流速:

设置偏微分方程:

设置边界条件:

设置初始条件:

监控求解过程并测量求解偏微分方程所需的时间:

可视化各个时间点的速度场的光栅化帧:

Wolfram Research (2024),FluidFlowPDEComponent,Wolfram 语言函数,https://reference.wolfram.com/language/ref/FluidFlowPDEComponent.html (更新于 2024 年).

文本

Wolfram Research (2024),FluidFlowPDEComponent,Wolfram 语言函数,https://reference.wolfram.com/language/ref/FluidFlowPDEComponent.html (更新于 2024 年).

CMS

Wolfram 语言. 2024. "FluidFlowPDEComponent." Wolfram 语言与系统参考资料中心. Wolfram Research. 最新版本 2024. https://reference.wolfram.com/language/ref/FluidFlowPDEComponent.html.

APA

Wolfram 语言. (2024). FluidFlowPDEComponent. Wolfram 语言与系统参考资料中心. 追溯自 https://reference.wolfram.com/language/ref/FluidFlowPDEComponent.html 年

BibTeX

@misc{reference.wolfram_2024_fluidflowpdecomponent, author="Wolfram Research", title="{FluidFlowPDEComponent}", year="2024", howpublished="\url{https://reference.wolfram.com/language/ref/FluidFlowPDEComponent.html}", note=[Accessed: 05-November-2024 ]}

BibLaTeX

@online{reference.wolfram_2024_fluidflowpdecomponent, organization={Wolfram Research}, title={FluidFlowPDEComponent}, year={2024}, url={https://reference.wolfram.com/language/ref/FluidFlowPDEComponent.html}, note=[Accessed: 05-November-2024 ]}