2022年湍流模型的选取准则 .pdf

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1、湍流模型的选取准则湍流模型选取的准则：流体是否可压、 建立特殊的可行的问题、精度的要求、 计算机的能力、时间的限制。为了选择最好的模型，你需要了解不同条件的适用范围和限制。FLUENT 软件中提供以下湍流模型：1 Spalart-Allmaras 模型； 2 k- 模型； 3 k-模型；4 雷诺应力模型（RSM）； 5 大涡模拟模型（LES）。1.Spalart-Allmaras 模型应用范围：Spalart-Allmaras 模型是设计用于航空领域的，主要是墙壁束缚（wall-bounded）流动，而且已经显示出很好的效果。在透平机械中的应用也愈加广泛。在湍流模型中利用Boussinesq逼

2、近，中心问题是怎样计算漩涡粘度。这个模型被Spalart-Allmaras 提出，用来解决因湍流动粘滞率而修改的数量方程。模型评价：Spalart-Allmaras 模型是相对简单的单方程模型，只需求解湍流粘性的输运方程，不需要求解当地剪切层厚度的长度尺度；由于没有考虑长度尺度的变化，这对一些流动尺度变换比较大的流动问题不太适合；比如平板射流问题，从有壁面影响流动突然变化到自由剪切流，流场尺度变化明显等问题。Spalart-Allmaras 模型中的输运变量在近壁处的梯度要比k- 中的小，这使得该模型对网格粗糙带来数值误差不太敏感。Spalart-Allmaras 模型不能断定它适用于所有的复

3、杂的工程流体。例如不能依靠它去预测均匀衰退，各向同性湍流。2 k- 模型 标准的 k- 模型：最简单的完整湍流模型是两个方程的模型，要解两个变量，速度和长度尺度。在FLUENT中，标准k- 模型自从被Launder and Spalding 提出之后，就变成工程流场计算中主要的工具了。 适用范围广、 经济、 合理的精度。 它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。湍动能输运方程是通过精确的方程推导得到，耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原型方程得到的。应用范围：该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略，此标准 - 模型只适合完全湍流的流动过程模拟。 RNG k- 模型：RNG

4、 k- 模型来源于严格的统计技术。它和标准k- 模型很相似，但是有以下改进：a、RNG 模型在 方程中加了一个条件，有效的改善了精度。b、考虑到了湍流漩涡，提高了在这方面的精度。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - c、RNG 理论为湍流Prandtl 数提供了一个解析公式，然而标准k- 模型使用的是用户提供的常数。d、标准 k- 模型是一种高雷诺数的模型，RNG 理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。这些公式

5、的作用取决于正确的对待近壁区域。这些特点使得RNG k- 模型比标准k- 模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。 可实现的 k- 模型：可实现的k- 模型是近期才出现的，比起标准k- 模型来有两个主要的不同点： 可实现的 k- 模型为湍流粘性增加了一个公式。 为耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程。术语 “ realizable” ，意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束，湍流的连续性。应用范围：可实现的k- 模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测。而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。可实现的k

6、- 模型和 RNG k- 模型都显现出比标准k- 模型在强流线弯曲、漩涡和旋转有更好的表现。由于带旋流修正的k- 模型是新出现的模型，所以现在还没有确凿的证据表明它比 RNG k- 模型有更好的表现。但是最初的研究表明可实现的k- 模型在所有k- 模型中流动分离和复杂二次流有很好的作用。该模型适合的流动类型比较广泛，包括有旋均匀剪切流，自由流（射流和混合层），腔道流动和边界层流动。对以上流动过程模拟结果都比标准k- 模型的结果好，特别是可再现k-模型对圆口射流和平板射流模拟中，能给出较好的射流扩张。模型评价：可实现的k- 模型的一个不足是在主要计算旋转和静态流动区域时不能提供自然的湍流粘度，这

7、是因为可实现的k- 模型在定义湍流粘度时考虑了平均旋度的影响。这种额外的旋转影响已经在单一旋转参考系中得到证实，而且表现要好于标准k- 模型。由于这些修改，把它应用于多重参考系统中需要注意。应用范围：Wilcox k- 模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射，因而可以应用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。 SST k-模型：SST k-模型由 Menter 发展， 以便使得在广泛的领域中可以独立于k- 模型， 使得在近壁自由流中 k-模型有广泛的应用范围和精度。为了达到此目的，k- 模型变成了k-公式。SST k-模型和标准的k-模型相似，但有以下改进： S

8、ST k-模型和 k- 模型的变形增长于混合功能和双模型加在一起。混合功能是为近壁区域设计的，这个区域对标准的k-模型有效，还有自由表面，这对k- 模型的变形有效。 SST k-模型合并了来源于方程中的交叉扩散。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 湍流粘度考虑到了湍流剪应力的传播。 模型常量不同。这些改进使得SST k-模型比标准k-模型在广泛的流动领域中有更高的精度和可信度。3 k-模型 标准的 k-模型：标准的

9、k-模型是基于Wilcox k- 模型，它是为考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播而修改的。标准的k- 模型的一个变形就是SST k-模型，它在FLUENT 中也是可用的应用范围：Wilcox k- 模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射，因而可以应用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。 SST k-模型：SST k-模型由 Menter 发展， 以便使得在广泛的领域中可以独立于k- 模型， 使得在近壁自由流中 k-模型有广泛的应用范围和精度。为了达到此目的，k- 模型变成了k-公式。SST k-模型和标准的k-模型相似，但有以下改进： SST k-模型和 k-

10、 模型的变形增长于混合功能和双模型加在一起。混合功能是为近壁区域设计的，这个区域对标准的k-模型有效，还有自由表面，这对k- 模型的变形有效。 SST k-模型合并了来源于方程中的交叉扩散。 湍流粘度考虑到了湍流剪应力的传播。 模型常量不同。这些改进使得SST k-模型比标准k-模型在广泛的流动领域中有更高的精度和可信度。 两个模型的对比两种模型有相似的形式，有方程k 和 。SST 和标准模型的不同之处是： 从边界层内部的标准k-模型到边界层外部的高雷诺数的ke 模型的逐渐转变。 考虑到湍流剪应力的影响修改了湍流粘性公式。一般来说， DES 和 LES 是最为精细的湍流模型，但是它们需要的网格

11、数量大，计算量和内存需求都比较大，计算时间长，目前工程应用较少。S-A 模型适用于翼型计算、壁面边界层流动，不适合射流等自由剪切流问题。标准 K-Epsilon 模型有较高的稳定性、经济性和计算精度，应用广泛，适用于高雷诺数湍流，不适合旋流等各相异性等较强的流动。RNG K-Epsilon 模型可以计算低雷诺数湍流，其考虑到旋转效应，对强旋流计算精度有所提供。Realizable K-Epsilon 模型较前两种模型的有点是可以保持雷诺应力与真实湍流一致，可以更加精确的模拟平面和圆形射流的扩散速度，同时在旋流计算、 带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计算结果更符合真实情况，同时在

12、分离流计算和带二次流的复杂流动计算中也表现出色。但是此模型在同时存在旋转和静止区的计算中，比如多重参考系、旋转滑移网格计算中，会产生非物理湍流粘性。因此需要特别注意。标准 K-W 模型包含了低雷诺数影响、可压缩性影响和剪切流扩散，适用于尾迹流动、混合层、射流、以及受壁面限制的流动附着边界层湍流和自由剪切流计算。SST K-W 模型综合了K-W 模型在近壁区计算的有点和K-Epsilon 模型在远场计算的优点，同时增加了横向耗散导数项，在湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的输运过程，适用更广， 可以用于带逆压梯度的流动计算、翼型计算、跨声速带激波计算等。雷诺应力模型没有采用涡粘性各向同性假设，在理

13、论上比前面的湍流模型要精确的多，直接求解雷诺应力分量（二维5 个，三维 7 个）输运方程，适用于强旋流动，如龙卷风、旋流燃烧室计算等。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 利用 FLUENT 不收敛通常怎么解决？、一般首先是改变初值，尝试不同的初始化，事实上好像初始化很关键，对于收敛。、 FLUENT 的收敛最基础的是网格的质量，计算的时候看怎样选择CFL数，这个靠经验、首先查找网格问题，如果问题复杂比如多相流问题，与

14、模型、边界、初始条件都有关系。、有时初始条件和边界条件严重影响收敛性，曾经作过一个计算反反复复，通过修改网格，重新定义初始条件， 包括具体的选择的模型，还有老师经常用的方法就是看看哪个因素不收敛，然后寻找和它有关的条件，改变相应参数。就收敛了、A. 检查是否哪里设定有误：比方用mm 的 unit建构的 mesh ，忘了 scale ；比方给定的边界条件不合理。B从算至发散前几步，看presure分布，看不出来的话，再算几步, 看看问题大概出在那个区域。 C 网格，配合第二点作修正，就重建个更漂亮的，或是更粗略的来处理。D再找不出来的话，换个solver 。、解决的办法是设几个监测点，比如出流或参数变化较大的地方，若这些地方的参数变化很小，就可以认为是收敛了，尽管此时残值曲线还没有降下来。、调节松弛因子也能影响收敛，不过代价是收敛速度。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -