fluent 湍流模型小結(jié)

1、Fluent湍流模型小結(jié)湍流模型小結(jié)湍流模型目前計(jì)算流體力學(xué)常用的湍流的數(shù)值模擬方法主要有以下三種：直接模擬（directnumerical?simulationDNS）直接數(shù)值模擬（DNS）特點(diǎn)在湍流尺度下的網(wǎng)格尺寸內(nèi)不引入任何封閉模型的前提下對NavierStokes方程直接求解。這種方法能對湍流流動中最小尺度渦進(jìn)行求解，要對高度復(fù)雜的湍流運(yùn)動進(jìn)行直接的數(shù)值計(jì)算，必須采用很小的時間與空間步長，才能分辨出湍流中詳細(xì)的空間結(jié)構(gòu)及變化劇烈

2、的時間特性?；谶@個原因，DNS目前僅限于相對低的雷諾數(shù)中湍流流動模型。另外，利用DNS模型對湍流運(yùn)動進(jìn)行直接的數(shù)值模擬對計(jì)算工具有很高的要求，計(jì)算機(jī)的內(nèi)存及計(jì)算速度要非常的高，目前DNS模型還無法應(yīng)用于工程數(shù)值計(jì)算，還不能解決工程實(shí)際問題。大渦模擬(large?eddysimulationLES)大渦模擬（LES）是基于網(wǎng)格尺度封閉模型及對大尺度渦進(jìn)行直接求解NS方程，其網(wǎng)格尺度比湍流尺度大，可以模擬湍流發(fā)展過程的一些細(xì)節(jié)，但其計(jì)算量

3、仍很大，也僅用于比較簡單的剪切流運(yùn)動及管流。大渦模擬的基礎(chǔ)是：湍流的脈動與混合主要是由大尺度的渦造成的，大尺度渦是高度的非各向同性，而且隨流動的情形而異。大尺度的渦通過相互作用把能量傳遞給小尺度的渦，而小尺度的渦旋主要起到耗散能量的作用，幾乎是各向同性的。這些對渦旋的認(rèn)識基礎(chǔ)就導(dǎo)致了大渦模擬方法的產(chǎn)生。Les大渦模擬采用非穩(wěn)態(tài)的NS方程直接模擬大尺度渦，但不計(jì)算小尺度渦，小渦對大渦的影響通過近似的模擬來考慮，這種影響稱為亞格子Reyno

4、lds應(yīng)力模型。大多數(shù)亞格子Reynolds模型都是將湍流脈動所造成的影響用一個湍流粘性系數(shù)，既粘渦性來描述。LES對計(jì)算機(jī)的容量和CPU的要求雖然仍然很高，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DNS方法對計(jì)算機(jī)的要求，因而近年來的研究與應(yīng)用日趨廣泛。應(yīng)用Reynolds時均方程(Reynoldsaveraging?equations)的模擬方法許多流體力學(xué)的研究和數(shù)值模擬的結(jié)果表明，可用于工程上現(xiàn)實(shí)可行的湍流模擬方法仍然是基于求解Reynolds時均方程及關(guān)

5、聯(lián)量輸運(yùn)方程的湍流模擬方法，即湍流的統(tǒng)觀模擬方法。統(tǒng)觀模擬方法的基本思想是用低階關(guān)聯(lián)量和平均流性質(zhì)來模擬未知的高階關(guān)聯(lián)項(xiàng)，從而封閉平均方程組或關(guān)聯(lián)項(xiàng)方程組。雖然這種方法在湍流理論中是最簡單的，但是對工程應(yīng)用而言仍然是相當(dāng)復(fù)雜的。即便如此，在處理工程上的問題時，統(tǒng)觀模擬方法仍然是最有效、最經(jīng)濟(jì)而且合理的方法。在統(tǒng)觀模型中，使用時間最長，積累經(jīng)驗(yàn)最豐富的是混合長度模型和KE模型。其中混合長度模型是最早期和最簡單的湍流模型。該模型是建立在層流

6、粘性和湍流粘性的類比、平均運(yùn)動與湍流的脈動的概念上的。該模型的優(yōu)點(diǎn)是簡單直觀、無須增加微分方程。缺點(diǎn)是在模型中忽略了湍流的對流與擴(kuò)散，對于復(fù)雜湍流流動混合長度難以確定。到目前為止，工程中應(yīng)用最廣泛的是kε模型。另外針對kε模型的不足之處，許多學(xué)者通過對KE模型的修正和發(fā)展，開始采用雷諾應(yīng)力模型（DSM）和代數(shù)應(yīng)力模型（ASM）。近年來，DSM模型已用來預(yù)報(bào)燃燒室及爐內(nèi)的強(qiáng)旋及浮力流動。很多情況下能夠給出優(yōu)于kε模型的結(jié)果。但是該模型也有

7、不足之處，首先它對工程預(yù)報(bào)來說太復(fù)雜，其次經(jīng)驗(yàn)系數(shù)太多難以確定，此外，對壓力應(yīng)變項(xiàng)的模擬還有爭議。更主要的是，盡管這一模型考慮了各種應(yīng)變效應(yīng)，但是其總精度并不總是高于其它模型，這些缺點(diǎn)導(dǎo)致了DSM模型沒有得到廣泛的應(yīng)用。總之，雖然從本質(zhì)上講DSM模型和ASM模型比kε模型對湍流流場的模擬更加合理，但DSM和ASM中仍然采用精度不高的E方程，模型中常數(shù)的通用性還沒有得到廣泛的驗(yàn)證，邊界條件不好給定，計(jì)算也比較復(fù)雜。正因?yàn)槿绱耍壳坝糜?jì)算解

8、決湍流問題時仍然采用比較成熟的KE模型。需要注意的是：1、大渦模擬有自己的亞格子封閉模型，這和kε模型完全是兩回事。LES的亞格子模型表現(xiàn)的是過濾掉的小渦對大渦的影響（這種影響是相互的）。而Reynolds時均方程的kε是建立在時間統(tǒng)計(jì)平均的基礎(chǔ)上的，考慮的是湍動能和湍流耗散輸運(yùn)方程。2、對于大渦模擬邊界條件的設(shè)定，沒有什么特別的要求。FLUENT提供的湍流模型：SpalartAllmaras模型?SpalartAllmaras模型不能

9、斷定它適用于所有的復(fù)雜的工程流體。例如不能依靠它去預(yù)測均勻衰退，各向同性湍流。kε模型模型標(biāo)準(zhǔn)kε模型?最簡單的完整湍流模型是兩個方程的模型，要解兩個變量，速度和長度尺度。在FLUENT中，標(biāo)準(zhǔn)kε模型自從被LaunderSpalding提出之后，就變成工程流場計(jì)算中主要的工具了。適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)，有合理的精度，這就是為什么它在工業(yè)流場和熱交換模擬中有如此廣泛的應(yīng)用了。它是個半經(jīng)驗(yàn)的公式，是從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中總結(jié)出來的。湍動能輸運(yùn)方程是通過精

10、確的方程推導(dǎo)得到，耗散率方程是通過物理推理，數(shù)學(xué)上模擬相似原型方程得到的。應(yīng)用范圍：該模型假設(shè)流動為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略，此標(biāo)準(zhǔn)κε模型只適合完全湍流的流動過程模擬。由于人們已經(jīng)知道了kε模型適用的范圍，因此人們對它加以改造，出現(xiàn)了RNGkε模型和帶旋流修正kε模型：1.RNGkε模型?RNGkε模型來源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)。它和標(biāo)準(zhǔn)kε模型很相似，但是有以下改進(jìn)：1.RNG模型在ε方程中加了一個條件，有效的改善了精度；2.考慮

11、到了湍流漩渦，提高了在這方面的精度；3.RNG理論為湍流Prtl數(shù)提供了一個解析公式，然而標(biāo)準(zhǔn)kε模型使用的是用戶提供的常數(shù)。4.然而標(biāo)準(zhǔn)kε模型是一種高雷諾數(shù)的模型，RNG理論提供了一個考慮低雷諾數(shù)流動粘性的解析公式。這些公式的效用依靠正確的對待近壁區(qū)域。這些特點(diǎn)使得RNGkε模型比標(biāo)準(zhǔn)kε模型在更廣泛的流動中有更高的可信度和精度。2.帶旋流修正的kε模型(可實(shí)現(xiàn)的kε模型)?帶旋流修正的kε模型是近期才出現(xiàn)的，比起標(biāo)準(zhǔn)kε模型來有兩

12、個主要的不同點(diǎn)。1.帶旋流修正的kε模型為湍流粘性增加了一個公式。2.為耗散率增加了新的傳輸方程，這個方程來源于一個為層流速度波動而作的精確方程術(shù)語“realizable”，意味著模型要確保在雷諾壓力中要有數(shù)學(xué)約束，湍流的連續(xù)性。3.帶旋流修正的kε模型直接的好處是對于平板和圓柱射流的發(fā)散比率的更精確的預(yù)測。而且它對于旋轉(zhuǎn)流動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流有很好的表現(xiàn)。4.帶旋流修正的kε模型和RNGkε模型都顯現(xiàn)出比標(biāo)準(zhǔn)k

13、ε模型在強(qiáng)流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)有更好的表現(xiàn)。由于帶旋流修正的kε模型是新出現(xiàn)的模型，所以現(xiàn)在還沒有確鑿的證據(jù)表明它比RNGkε模型有更好的表現(xiàn)。但是最初的研究表明帶旋流修正的kε模型在所有kε模型中流動分離和復(fù)雜二次流有很好的作用。5.旋流修正的kε模型的一個不足是在主要計(jì)算旋轉(zhuǎn)和靜態(tài)流動區(qū)域時不能提供自然的湍流粘度。這是因?yàn)閹餍拚膋ε模型在定義湍流粘度時考慮了平均旋度的影響。這種額外的旋轉(zhuǎn)影響已經(jīng)在單一旋轉(zhuǎn)參考系中得到證實(shí)，而且

14、表現(xiàn)要好于標(biāo)準(zhǔn)kε模型。由于這些修改，把它應(yīng)用于多重參考系統(tǒng)中需要注意。應(yīng)用范圍：可實(shí)現(xiàn)的kε模型直接的好處是對于平板和圓柱射流的發(fā)散比率的更精確的預(yù)測。而且它對于旋轉(zhuǎn)流動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流有很好的表現(xiàn)?？蓪?shí)現(xiàn)的kε模型和RNGkε模型都顯現(xiàn)出比標(biāo)準(zhǔn)kε模型在強(qiáng)流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)有更好的表現(xiàn)。由于帶旋流修正的kε模型是新出現(xiàn)的模型，所以現(xiàn)在還沒有確鑿的證據(jù)表明它比RNGkε模型有更好的表現(xiàn)。但是最初的研究表明可

15、實(shí)現(xiàn)的kε模型在所有kε模型中流動分離和復(fù)雜二次流有很好的作用。該模型適合的流動類型比較廣泛，包括有旋均勻剪切流，自由流（射流和混合層），腔道流動和邊界層流動。對以上流動過程模擬結(jié)果都比標(biāo)準(zhǔn)kε模型的結(jié)果好，特別是可再現(xiàn)kε模型對圓口射流和平板射流模擬中，能給出較好的射流擴(kuò)張。模型評價：可實(shí)現(xiàn)的kε模型的一個不足是在主要計(jì)算旋轉(zhuǎn)和靜態(tài)流動區(qū)域時不能提供自然的湍流粘度，這是因?yàn)榭蓪?shí)現(xiàn)的kε模型在定義湍流粘度時考慮了平均旋度的影響。這種額外