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Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算_李疆

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第28卷第4期摩擦学学报V o.l28 N o.4 2008年7月T ri b ology July2008 Fl uent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算李 疆1,陈皓生2(1.北京科技大学机械工程学院,北京 100083;2.清华大学摩擦学国家重点实验室,北京 100084)摘要:基于FLUENT软件环境,采用VOF模型和非稳态方法求解N av ier-Stokes方程,模拟了近壁面的空泡溃灭过程,同时计算了空泡溃灭处与壁面的距离对射流强度的影响.结果表明:在近壁面,空泡将形成非对称溃灭,因水锤作用,引发高速水射流在壁面产生高压而形成空蚀破坏;基于FLU ENT环境的计算结果与已有的实验和计算结果相符,为研究空泡溃灭和空蚀机制提供了类比的数值计算方法.关键词:空蚀;空泡溃灭;计算流体力学(CFD);射流中图分类号:TH117;O353.4文献标志码:A文章编号:1004-0595(2008)04-0311-05自R ey leigh在1917[1]年提出空泡运动的动力学方程后,对于空泡溃灭和壁面空蚀之间关系的研究已有了大量实验[2~4]和计算结果[5~7].由于空泡溃灭的直接求解方法较为复杂,采用数值计算方法求解球形空泡的溃灭过程[8~12]已成为一种重要研究方法.数值方法中的主要一类为直接求解N av ier-S tokes方程以模拟空泡的溃灭问题,并以Vo l u m e of F l u i d(VOF)方法获得空泡溃灭中的气-液两相界面的变化情况.其中考虑的假设条件不同[9~13],所得计算方法也有所差别[9~13],因而其结果也不尽相同.本文基于FLUENT软件环境模拟近壁面空泡溃灭过程,并分析由于空泡溃灭所产生的高速射流对壁面空蚀形成的影响.由于FLUENT软件具有较强的流体计算能力,可以求解包含压缩连续方程、N-S 方程和界面方程的方程组,并提供完整的VOF求解方案,其计算结果将为研究空泡溃灭过程的模拟提供类比的软件平台.1 计算模型由于需要分析空泡溃灭对壁面空蚀结果的影响,这里主要求解空泡在近壁面的溃灭问题.其基本问题的物理描述如下:考虑在半无限液相流体中有1个空泡,位于刚性壁面附近.空泡初始时为球形,同时认为液相为不可压缩的牛顿流体,无限远处的压力为1.013 105Pa,采用两相流方法求解空泡的溃灭过程.流体中第一相为液态水,第二相为气态空泡,空泡内气体为水蒸气.图1所示为计算区域和坐F i g1 M ode l and m esh for t he ca l culation图1 计算模型和网格划分标系.因为空泡溃灭为轴对称过程,为了简化计算数量,只计算1/2的区域网格.计算区域为边长5mm 的正方形,区域中的半圆形区域为半空泡,其半径为R,空泡的下边缘距离壁面的距离为H.在计算空泡溃灭过程中引入的基本假设条件为(1)忽略空泡内混合物与流场之间的物质交换;(2)在计算中不考虑重力的影响,即在Fluent的 Oper-ati n g condition 设置中取消重力选项;(3)忽略表面张力的作用;(4)针对静场中的空泡溃灭,即流场背基金项目:教育部科学技术研究重点项目资助(106018);国家自然科学基金资助项目(50505020).收稿日期:2007-10-24;修回日期:2008-01-28/联系人李疆,e-m ai:l lijiang01@ts i .c n作者简介:李疆,女,1976年生,博士,讲师,目前主要从事M EM S器件和微流体研究.景压力和空泡内的压力不变[6,10],泡壁受到的内外压力差 p保持不变,在计算中通过指定空泡区(通过 R eg i o n 选项设定)的入流速度实现.其中 p= p -p v,u0= p/ ,p =1.01 105Pa,为流场背景压力,p v为空泡内的压力,一般取值为饱和蒸汽压2.34 103Pa; =1.0 103kg/m3,为水的密度.由此得出空泡内外压力差 p近似为1.0 105Pa,流速u0近似为10m/s.一般被认为,空泡溃灭是1个高速绝热过程,泡壁的运动可由R ay leigh-Plesset方程[1,6]计算得到.在方程中,表面张力参与了泡壁的变形过程,但在近壁面溃灭的过程中,泡壁的运动非常剧烈,空泡上、下壁面的流体非对称高速动量变化是形成微射流的主要原因.在平衡状态下,维持空泡形状的表面张力对该过程的影响非常有限.为此,计算中采用常用的假设条件[6],不考虑表面张力的影响以简化计算过程.计算区域中的5个边界的条件分别为:左边界采用对称边界条件,u=0, v/ x=0(u,v分别为沿x,y方向上的速度分量);下边界为刚性壁面,u=0, v=0;右边界B和上边界A为流体的无穷远边界条件, v/ n=0, v/ n=0(其中n为边界法向),空泡界面为自由面,自由边界条件为p n=p v.由于计算区域和空泡的尺寸比例较大,同时在泡壁处的网格需要加密,所以对于计算区域划分了如图所示的1~11个区域,泡壁处最小网格尺寸为0.5 m 0.5 m,网格数目为9300个.2 控制方程质量连续方程:t+ ( u)=0(1) N av ier-Stokes方程:ut+(u )u=-1P+2u(2)式中:u为流体的速度张量, 为流体的运动黏度.界面方程:空泡界面采用Vo l u m e o f Flu i d(VOF)方法求解,该方法是1种适用于欧拉网格的界面跟踪技术,引入体积分率函数 q表示流体在网格中所占空间的比例,并满足:t( q q)+ ( q q )=0(3)2q=1q=1(4)式中:下标q表示流体中不同的相, 和v分别表示流体的密度和速度.综合式(1~4)构成了求解空泡壁面运动的全部方程.采用FLUENT软件求解空泡溃灭的非稳态过程,时间采用隐式格式,空间采用迎风格式.压力的求解采用PRESTO!方法,速度-压力耦合求解采用PI SO方法.时间步长为1 10-8s,固定步长求解.3 计算结果基于FL UENT环境,计算得到近壁面空泡溃灭过程中的形状变化、溃灭时所产生的射流速度以及由此而形成的对壁面的高压.3.1 溃灭过程VOF方法计算得到的是空泡形状的体积分率 q,需要根据体积分率重建气-液界面.假设体积分率大于0.5的网格为气相,而体积分率为0.5的网格中心坐标近似为空泡边界位置.图2为不同时F i g2 The shape var i a tion o f the bubble i n co ll apse process图2 空泡溃灭过程的形状变化刻下空泡壁的形状变化,所用空泡半径为100 m,泡壁底部距离壁面100 m.从图2可以看出,在刚性壁面的法向上,远离壁面的泡壁运动速度较快,在空泡侧面和靠近壁面底部的泡壁运动速度较慢.在溃灭过程中,顶部泡壁加速向底部运动而使空泡形成凹陷形状.图2所示为溃灭过程中泡壁的形状变化,可见与Plesset等[6]采用差分方法所得球形空泡近壁面溃灭过程中的形状吻合,其溃灭时间也在相同的数量级,但对于泡壁细节的描述更加具体.当顶部凹陷到达底部并贯穿整个空泡时发生溃灭,并在贯穿处形成高速射流而冲击壁面.图3所示为溃灭时沿图2对称轴Y上的射流速度的分布.可见在溃灭处的射流速度达到最大值,约为200m/s.射流强度随溃灭处与壁面间距离的增加而急剧下312摩 擦 学 学 报第28卷F i g 3 T he ve l o city d i str i bution on the ax is o f the j e t图3 射流速度在空泡对称轴上的分布降,射流到达壁面时的速度已降至2.5m /s .这意味着,射流对空蚀效果的影响受到空泡与壁面距离的影响.3.2 射流速度分别计算半径为100 m ,空泡距离壁面0 m 、10 m 、50 m 和100 m 条件下的空泡溃灭和射流速度.产生空泡溃灭时空泡泡壁的速度很大,在溃灭处产生高速水射流,如图4所示,图4中的箭头方向表示射流速度方向,箭头长度和颜色的深浅表示速度大小.图4(a 和b)分别示出了距离壁面100 m 和10 m 时空泡溃灭的射流速度,4种条件下空泡溃灭时的最大射流速度及射流到达壁面的速度列于表1.可以看出,不同距离下的最大射流速度非常相似,但是达壁面的速度却差别很大.距离100 m 时的射流速度到达壁面时仅为溃灭处射流速度的约1%,而距离10 m 时,到达壁面的射流速度几乎和溃灭处射流速度相同.由此可以认为,只有距离壁面足够近的空泡溃灭时才能在壁面形成高速射流,对表1 距离壁面距离对射流速度的影响Tab le 1 The effect of the d istance bet w een the bubb l eand the wall on the jet ve l oc ityH / m v m ax /(m s -1)v w a ll /(m s -1)1001892.55019533102041890201201壁面造成破坏而形成空蚀效果.另一方面,当球形空泡在壁面附近溃灭时,泡壁周围的液体将向空泡中心运动,而近壁面的液体由于受到边壁限制,其运动速度较其它部分低,在球对称的情况下将引起垂直壁面方向上的动量不平衡,从而引起水射流的方向垂直指向壁面.从图4还可见,高速射流的直径很小,约为气泡直径的10%以下.同时,射流速度很高,是造成壁面空蚀针孔的主要原因.3.3 射流产生的高压当高速水射流射向固体壁面时将产生较高的初始压力,并可通过水锤方程[5]计算:p WH = L c L vs c sL c L + s c s(5)式中:下标L 和s 分别表示液相和固相, 为各相的密度,c 为在各相中的声速,v 是流体指向壁面的速度.由于固相的参数数值远大于液相的数值,因而该方程可以简化为:p WH L c L v(6)这里以空泡距离壁面H =50 m 的情况为例,空泡溃灭时所产生射流到达壁面时的速度v =33m /s , L =1.0 103kg /m 3,c L =1500m /s .此时由水锤作用313第4期李 疆等: F luent 环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算所产生的压力为p WH=5.12 107Pa.水射流在壁面所产生的压力分布如图5所示,图中压力的大小用F i g5 P ressure caused by the j et图5 射流产生的压力颜色的亮暗表示.另一方面,这种射流所产生的压力是在极短的时间内产生的,从初始球形空泡到形成空泡溃灭射流,其时间仅为1.1 s,而壁面高压的形成时间更短,仅在射流形成前后发生.可见,这是一种高速压力脉动并可能造成壁面材料的破坏.更进一步的计算表明,当空泡与壁面间距H= 10 m时,射流压力接近于3.0 108Pa.在如此短的时间内形成如此高的压力,这种压力脉冲几乎可以造成任何材料的表面破坏[7].由此推断:空蚀的形成与近壁面的空泡溃灭密切相关,空泡溃灭所形成的高速射流在壁面产生高压区是造成壁面空蚀破坏的重要原因.4 结论a. 在FLUE NT软件环境中,通过VOF方法计算非稳态的气-液二相流问题可以模拟近壁面空泡溃灭的过程.其计算结果与已有的实验和计算结果相符,为研究空泡溃灭和空蚀机制提供了类比的数值计算方法.b. 壁面空泡溃灭过程为空泡泡壁在近壁面的非对称溃灭而形成射流,由于水锤作用,射流将在壁面形成高压.但是射流速度随着溃灭处与壁面间距离的增加而急剧减小,壁面的压力也随之降低.参考文献:[1] Ray l eigh L.On the press u re devel oped i n a li qu i d du ri ng t he co-ll ap s e of a spherical cav i ty[J].Ph ilM ag,1917,34:94-98. [2] K li ng C L.A h i gh speed photograph ic st udy of cavitati on bubb lecoll ap s e[D].Un i versity ofM ich i gan,1970.[3] Shutl er N D,M esler R B.A photograph i c study of the dyna m icsand da m age capab ilities of bubbles collaps i ng n ear soli d boundaries[J].T ran s acti on of AS M E,J Bas ic Engr,1965,87:511-517. [4] Bergan ta A,S i m psonb A R,T ijss eli ngc A S.W ater ha mm er w i thco l umn separati on:A h i stori ca l revi e w[J].Journal of F l u i ds andStru ctures,2006,22:135-171.[5] Yeh H C,Yang W J.Dyna m i cs of bubb les m ov i ng i n li qu ids w i thpressure gradient[J].J App l Phys,1968,19:3156-3165. [6] P lessetM S,Chapm an R B.Collapse of an i n itiall y sph erical va-por cavity i n the nei ghborhood of a solid boundary[J].J F l u i d M ech.,1971,47:283.[7] 李伟,熊朝坤,严利.刚性壁附近球状泡溃灭时泡心运动轨迹分析[J].西华大学学报(自然科学版),2006,1:52-53.L iW,X i ong C K,Yan L.Anal ys i s of t h e centerm ov i ng pat h of a spherical bubb l e broken n ear a ri gi d w all[J].J ournal ofX i hua U-n i versit y(N atural Sci en ce E d i ti on),2006,1:52-53.[8] H a mm itt F G.C avitati on and mu lti phase fl ow pheno m ena[M].USA:M c Gra w-H ill Inc,1980.241.[9] 黄继汤.空化与空蚀的原理及应用[M].北京:清华大学出版社,1991.[10] 胡影影,朱克勤,席葆树.固壁空蚀数值研究[J].应用力学学报,2004,21:22-25.H u Y Y,Zhu K Q,X i B S.Num erical study of cav i ation erosionon a ri g i d w all[J].Ch i nes e Jou rnal of Appli ed M echanics,2004,21:22-25.[11] 陆力,许协庆.固液两相流体中刚性平面边壁附近的空泡溃灭计算[J].水动力学研究与进展,1990,5:108-119.Lu L,Xu X Q.Num eri cal i nvesti gati on of bubble collapse near ari g i d boundary i n s oli d-li qu i d t w o-phase fl u i d[J].J ournal ofH y-drodyna m i cs,1990,5:108-119.[12] 胡影影,朱克勤,席葆树.空泡在固壁附近溃灭的数值模拟[J].水动力学研究与进展A辑,2004,3:.310-315.H u Y Y,Zhu K Q,X iB S.Nu m erical si m u l ati on of t h e collapseof a bubb l e near t h e ri gi d wall[J].J ou rnal ofH ydrodyna m ics,2004,3:.310-315.[13] Y i ng C F,An L.H i gh te m perat u re and h i gh pressure d i stribu tioni n gas bubb les generated by sound cavitati on[J].Science i n Ch-ina,seri es A,2002,32(4):305-313.314摩 擦 学 学 报第28卷Num erical Simulation ofM icro Bubble Collapse NearSoli d W all i n F l ue nt Environm e ntL I Jiang 1,C H E N H ao -sheng2(1.M echanical Eng i neering School ,U ni ver sity of Science and T echno logy Beijing,Beijing 100083,China ;2.State K ey Labora t ory of T ribology,T singhua University,Beijing 100084,China )Abst ract :Vo lu m e of F l u i d (VOF)m odel and unsteady m ethod w ere used to solve the N av i e r -Sto les equati o n to si m ulate the bubb l e co llapse process using FLUENT soft w are .The si m u lation resu lts sho w that the asy mm etric co-l lapse occured on the spherical bubble near a so li d w al.l The f o llo w i n g m icro jet then caused high pressure do m a i n on the so li d w all to i n duce the cav itation erosi o n based on the wa ter ha mm er theory .The d i s tance bet w een the bub -b le and the so li d w a ll w as a lso proved to p lay i m portant r o le i n the erosion.The num erica l resu lts coped w ith the ex isted experi m ental and nu m erical resu lts ,and th is soft w are prov ided a p latfor m for the nu m erical ca lculation on cav itati o n erosion .K ey w ords :cav itati o n ,cav itation erosi o n ,computational fl u i d dyna m ics (CFD),jet strea m Aut hor :LI Jiang ,fe m a le ,born in 1976,Ph.D.,e -m a i:l lijiang01@tsi n ghua .or g .cn315第4期李 疆等: F luent 环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算。

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fluent壁面摩擦损失(耗散熵产)的计算方法

fluent壁面摩擦损失(耗散熵产)的计算方法

fluent壁面摩擦损失(耗散熵产)的计算方法【最新版6篇】目录（篇1）1.引言2.fluent 壁面摩擦损失的定义3.fluent 壁面摩擦损失的计算方法a.基于雷诺数b.基于摩擦因子c.基于湍流模型4.fluent 壁面摩擦损失的影响因素a.流体性质b.壁面粗糙度c.流动速度5.结论正文（篇1）一、引言壁面摩擦损失，又称耗散熵产，是流体在流动过程中因壁面摩擦而产生的能量损失。

在实际工程应用中，为了降低能耗、提高效率，研究壁面摩擦损失的计算方法具有重要意义。

本文将介绍 fluent 壁面摩擦损失的计算方法及其影响因素。

二、fluent 壁面摩擦损失的定义fluent 是一款广泛应用于流体动力学领域的计算流体力学（CFD）软件。

在 fluent 中，壁面摩擦损失是指流体与壁面之间的摩擦力所引起的能量损失。

三、fluent 壁面摩擦损失的计算方法1.基于雷诺数：雷诺数是描述流体流动特性的一个重要参数，它可以用来判断流体流动是层流还是湍流。

在 fluent 中，根据雷诺数可以选择相应的湍流模型来计算壁面摩擦损失。

2.基于摩擦因子：摩擦因子是描述流体与壁面之间摩擦力的一个无量纲参数。

在 fluent 中，可以通过设置摩擦因子来计算壁面摩擦损失。

3.基于湍流模型：在 fluent 中，可以选择不同的湍流模型来计算壁面摩擦损失，如 k-ε模型、k-ω模型、SST 模型等。

四、fluent 壁面摩擦损失的影响因素1.流体性质：流体的粘度、密度、温度等性质会影响壁面摩擦损失。

2.壁面粗糙度：壁面的粗糙度会影响流体与壁面之间的摩擦力，进而影响壁面摩擦损失。

3.流动速度：流动速度的增加会导致流体与壁面之间的摩擦力增大，从而使壁面摩擦损失增加。

五、结论fluent 壁面摩擦损失的计算方法有多种，其中基于雷诺数、摩擦因子和湍流模型的方法较为常用。

在实际应用中，需要根据流体的性质、壁面的粗糙度以及流动速度等因素来选择合适的计算方法。

FLUENT中文学习资料-建模与数值分析

FLUENT中文学习资料-建模与数值分析


4.1.1 壁面函数 FLUENT 提供的壁面函数包括:1，标准壁面函数；2，非平衡壁面函数两类。标准壁面函 数是采用 Launder and Spalding [L93]的近壁处理方法。该方法在很多工程实际流动中有较好的 模拟效果。 4.1.1.1 标准壁面函数 根据平均速度壁面法则，有：
U* = 1 ln( Ey* ) k
Gk ≈ τ w
τw ∂U =τw 1/ 4 1/ 2 ∂y kρC µ k p y p
4－5
耗散率不需要求解输运方程，直接用如下公式计算：
εp =
3/ 4 3/ 2 Cµ kp
ky p
4－6
以上所介绍的标准壁面函数是 FLUENT 程序的默认设置。标准壁面函数包含了定常剪切 和局部平衡假设条件，如果壁面有很强的压力梯度，并且很强的非平衡性，则我们可以选择非 平衡壁面函数方法。 4.1.1.2 非平衡壁面函数
* ( y* < yT )
4－3
* ( y* > yT )
其中 P 的计算采用下列公式[L93]
Pr Prt 4－4 − 1 Prt Pr & ′′ 壁面热流； Tp 近邻 其中， k f 是流体导热系数； ρ 是流体密度； c p 是流体定压比热； q π /4 A P= sin(π / 4) k
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衡壁面函数则把壁面函数方法推广到有压力梯度和非平衡的流动过程中。但是，如果流动情况 偏离了壁面函数的理想条件，则壁面函数就不合适了。如：高粘度流体流过狭窄的通道，壁面 由渗透的流动，大压力梯度并导致边界层分离的流动，由强体积力的流动，近壁区域三维性很 强的流动问题。 如果要成功解决上述问题， 必须采用改进模型的方法来模拟近壁流动。 FLUENT 提供了双层区模型（Two-Layer Zonal Model ） 。 4.1.1.3 双层区模型
FLUENT壁面函数的选择

FLUENT壁面函数的选择

FLUENT壁面函数的选择壁面函数问题1、无论是标准k—ε模型、RNGk—ε模型，还是Realizable k—ε模型,都是针对充分发展的湍流才有效的，也就是说，这些模型均是高Re数的湍流模型。

它们只能用于求解处于湍流核心区的流动。

而壁面函数是对近壁区的半经验描述，是对某些湍流模型的补充（近壁区对整体流动影响较大和低雷诺数Re的情况），通过壁面函数法和低Re数k—ε模型与标准k—ε模型和RNGk—ε模型配合，成功解决整个整个管道的流动计算问题。

2、在壁面区，流动情况变化很大。

解决这个问题目前有两个途径：一、是不对粘性影响比较明显的区域（粘性底层和过渡层）进行求解，而是用一组半经验的公式（即壁面函数）将壁面上的物理量与湍流核心区内的相应物理量联系起来。

这就是壁面函数法。

在划分网格的时候，不需要在壁面区加密，只需要把第一个节点布置在对数律成立的区域内，即配置在湍流充分发展区域。

如果要用到壁面函数的话，在define---modle--viscous面板里有near wall treatment一项。

可以选择标准壁面函数、不平衡壁面函数等。

二、是采用低Re数的k—ε模型来求解粘性底层和过渡层，此时需要在壁面区划分比较细密的网格，越靠近壁面，网格越细。

当局部湍流的Re数小于150时，就应该使用低Re数的k—ε模型。

总结：相对于低Re数的k—ε模型，壁面函数法计算效率高，工程实用性强。

但当流动分离过大或近壁面流动处于高压之下时，不是很理想。

在划分网格的时候，需要在壁面的位置设置边界层网格，原因也是如此。

为什么要用壁面函数？？就是因为，k-epsilon模型中，k的boundary condition已知，在壁面上为零，而epsilon的boundary condition 在壁面上为一未知的非零量，如此如何来解两方程模型？？？所以，我们就需要壁面函数来确定至少第一内节点上的值，当然也包括壁面上的值。

实际上就是把epsilon方程的boundary condition放到了流体内部。

fluent2019R2求解 基本步骤

fluent2019R2求解 基本步骤

fluent2019R2 模拟基本步骤1.定义网格（scale mesh）主要工作是定义模型尺寸和检查网格体积值（minimum volume），必须大于0，否则意味着存在一个或者多个单位有不恰当的连通性。

2.定义求解模型a.求解器的选择（solver）一般采用基于压力（pressure-based）的求解器，求解的控制方程是标量，主要计算不可压缩流体。

基于密度的求解器一般计算可压缩流体，求解方程是矢量。

注意：相对速度只适用于压力求解器b.湍流模型的选择可以看到fluent2019R2里的模型有：多相流模型、能量模型、湍流模型、辐射模型、热交换模型、输运模型、离散相模型、凝固和融化模型、噪声模型、结构模型、欧拉壁面模型、电势模型选择湍流模型（viscous model）后，可以看到有三种计算模型，分别是：标准模型、RNG模型、Realizable 模型。

标准模型：属于计算高雷诺数模型RNG模型：对近壁面区进行适当处理后的低雷诺数模型Realizable 模型：采用湍流公式，计算结果与真实雷诺应力一致，计算旋转和静止同时存在的流场。

c.材料的选择根据仿真模拟的实际情况填写材料物性参数。

可以在数据库中选择需要的材料，材料参数如果不固定可以进行UDF自定义。

d.工作条件的定义一般进行重力和压力的设置。

3.定义边界条件4.初始化和计算a.求解器参数可以看到有三种关联形式：SIMPLE 、SIMPLEC 、PISO 。

一般的，前两种用于计算稳态模型，PISO 用于计算瞬态模型。

b.初始化流场计算之前首先要进行初始化，一般进行全局初始化。

c.收敛条件d.迭代计算进行时间步长和迭代次数的设置。

5.显示云图自定义：在工作台（console）中进行转换GUI（图形用户接口）和TUI（文本用户接口）在ICEM中遇到的几个疑问2D surface block和2D planar的区别：前者一般用于面结构，比如三维几何的面，建立的block 可以是结构也可以是非结构；后者一般用于二维，而且只能用于二维，建立的一般都是结构block。