2023年K-e湍流模型.docx
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1、2023年K-e湍流模型 第一篇:K-e湍流模型 K是紊流脉动动能J, 是紊流脉动动能的耗散率% K越大说明湍流脉动长度和时间尺度越大, 越大意味着湍流脉动长度和时间尺度越小,它们是两个量制约着湍流脉动。 但是由于湍流脉动的尺度范围很大,计算的实际问题可能并不会如上所说的那样存在一个精确的正比和反比的关系。在多尺度湍流模式中,湍流由各种尺度的涡动结构组成,大涡携带并传递能量,小涡则将能量耗散为内能。 在入口界面上设置的K和湍动能尺度对计算的结果影响大,至于k是怎么设定see fluent manual “turbulence modelling 作一个简洁的平板间充分进展的湍流流淌,基于k-e
2、模型。 确定压力梯度有两种方案,一是给定压力梯度,二是对速度接受周期边界条件,压力不管! k-epsiloin湍流模型参数设置:k动能能量;epsilon耗散率; 在运用两方程湍流模型时这个k值是怎么设置的呢?epsilon可以这样计算吗? MepsilonCu*k*k/Vt% 这些在软件里有具体介绍。陶的书中有类似的处理,假定了进口的湍流雷诺数。 fluent关心里说,用给出的公式计算就行。 ke模型的收敛问题! 应用ke模型计算圆筒内湍流流淌时,网格比较粗的时计算结果能收敛,但是当网格比较密的时候,湍流好散率就只能收敛到10的2次方,请问大侠有没有解决的方法? 用粗网格的结果做初场网格加密
3、不是根本缘由,更本的缘由是在加密过程中,部分网格质量差留意改良网格质量,应当就会好转.在求解标准k-e双方程湍流模型时接受涡粘假设,求湍流粘性系数,然后和NS方程耦 合求解粘性流场,觉察湍动能产生项雷诺应力和一个速度张量相乘组成的项出现负 值,请问是不是一种错误现象? 假如是错误现象一般怎样避开。另外处理湍动能产生项采 用什么样的差分格式最好。而且因为源项的影响,使得程序总是不稳定,造成k,e值出现负 值,请问有什么方法克服这种现象。 你可以试试这里计算的时候加一个推断,出现负值的时候强制为一个很小的正值。 这可能是因为你接受的数值格式的问题,一般计算程序对k方程都要做确定处理,以保证k的正定
4、。 比方,强制规定源项与0的关系,以使数值计算稳定。 就ke模型而言。 它是problem dependent.对简洁的无弯曲无旋转无.的湍流问题,它能算而且能给出好的结果,但对困难的流淌问题,它就不能运用了。 出现负的ke不仅仅是计算格式的问题,更重要的是模型问题,没有谁能证明ke模型在任何流淌问题中都能保证ke是正的。 有这么一些方法避开ke出现负值 1。对Kln(k)和E=ln(e)求解,问题:壁面ke=0难处理,2。先用层流计算500步,然后再用ke算 3。各种强制限制方法 4。源项局部线性化 5。算到确定程度,假如k值趋势对了,就干脆不求ke方程 其次篇:Fluent 湍流模型小结
5、Fluent 湍流模型小结 湍流模型 目前计算流体力学常用的湍流的数值模拟方法主要有以下三种: 干脆模拟direct numerical simulation, DNS 干脆数值模拟DNS特点在湍流尺度下的网格尺寸内不引入任何封闭模型的前提下对Navier-Stokes方程干脆求解。这种方法能对湍流流淌中最小尺度涡进行求解,要对高度困难的湍流运动进行干脆的数值计算,必需接受很小的时间与空间步长,才能区分出湍流中具体的空间结构及转变猛烈的时间特性。基于这个缘由,DNS目前仅限于相对低的雷诺数中湍流流淌模型。另外,利用DNS模型对湍流运动进行干脆的数值模拟对计算工具有很高的要求,计算机的内存及计算
6、速度要特殊的高,目前DNS模型还无法应用于工程数值计算,还不能解决工程实际问题。 大涡模拟(large eddy simulation, LES)大涡模拟LES是基于网格尺度封闭模型及对大尺度涡进行干脆求解N-S方程,其网格尺度比湍流尺度大,可以模拟湍流进展过程的一些微小环节,但其计算量仍很大,也仅用于比较简洁的剪切流运动及管流。大涡模拟的基础是:湍流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的,大尺度涡是高度的非各向同性,而且随流淌的情形而异。大尺度的涡通过互相作用把能量传递给小尺度的涡,而小尺度的涡旋主要起到耗散能量的作用,几乎是各向同性的。这些对涡旋的相识基础就导致了大涡模拟方法的产生。Les大
7、涡模拟接受非稳态的N-S方程干脆模拟大尺度涡,但不计算小尺度涡,小涡对大涡的影响通过近似的模拟来考虑,这种影响称为亚格子Reynolds应力模型。大多数亚格子Reynolds模型都是将湍流脉动所造成的影响用一个湍流粘性系数,既粘涡性来描述。LES对计算机的容量和CPU的要求虽然照旧很高,但是远远低于DNS方法对计算机的要求,因此近年来的探讨与应用日趋广泛。应用Reynolds时均方程(Reynolds-averaging equations)的模拟方法 许多流体力学的探讨和数值模拟的结果说明,可用于工程上现实可行的湍流模拟方法照旧是基于求解Reynolds时均方程及关联量输运方程的湍流模拟方法
8、,即湍流的统观模拟方法。统观模拟方法的基本思想是用低阶关联量和平均流性质来模拟未知的高阶关联项,从而封闭平均方程组或关联项方程组。虽然这种方法在湍流理论中是最简洁的,但是对工程应用而言照旧是相当困难的。即便如此,在处理工程上的问题时,统观模拟方法照旧是最有效、最经济而且合理的方法。在统观模型中,运用时间最长,积累阅历最丰富的是混合长度模型和 K-E模型。其中混合长度模型是最早期和最简洁的湍流模型。该模型是建立在层流粘性和湍流粘性的类比、平均运动与湍流的脉动的概念上的。该模型的优点是简洁直观、无须增加微分方程。缺点是在模型中忽视了湍流的对流与扩大,对于困难湍流流淌混合长度难以确定。到目前为止,工
9、程中应用最广泛的是k-模型。另外针对k-模型的缺乏之处,许多学者通过对K-E模型的修正和进展,起先接受雷诺应力模型DSM和代数应力模型ASM。近年来,DSM模型已用来预报燃烧室及炉内的强旋及浮力流淌。很多状况下能够给出优于k-模型的结果。但是该模型也有缺乏之处,首先它对工程预报来说太困难,其次阅历系数太多难以确定,此外,对压力应变项的模拟还有争议。更主要的是,尽管这一模型考虑了各种应变效应,但是其总精度并不总是高于其它模型,这些缺点导致了DSM模型没有得到广泛的应用。总之,虽然从本质上讲DSM模型和ASM模型比k-模型对湍流流场的模拟更加合理,但DSM和ASM中照旧接受精度不高的E方程,模型中
10、常数的通用性还没有得到广泛的验证,边界条件不好给定,计算也比较困难。正因为如此,目前用计算解决湍流问题时照旧接受比较成熟的K-E模型。需要留意的是: 1、大涡模拟有自己的亚格子封闭模型,这和k-模型完全是两回事。LES的亚格子模型表现的是过滤掉的小涡对大涡的影响这种影响是互相的。而Reynolds时均方程的k-是建立在时间统计平均的基础上的,考虑的是湍动能和湍流耗散输运方程。 2、对于大涡模拟边界条件的设定,没有什么特别的要求。 FLUENT 供应的湍流模型: Spalart-Allmaras 模型 k- 模型 标准k- 模型 Renormalization-group(RNG)k-模型 带旋
11、流修正k-模型 k-模型 标准k-模型 压力修正k-模型 雷诺兹压力模型 Spalart-Allmaras 模型 The Spalart-Almares model is a one-equation model that it something in between an algebraic model like the Baldwin-Lomax model and a two-equation model like the k-epsilon model.Since it includes one transported turbulent quantity it has the po
12、tential to include at least some history effects(transportation of turbulent energy).It is a more modern model than the BL model, but that is of course not a guarantee that it always produces better results.The SA model is very robust and is easy to use.For attached flows it often produces good resu
13、lts.It is popular in aero-space applications and for quick design-iteration simulations in the turbo-machinery field.The SA model rarely produces the completely unphysical results that a k-epsilon model can produce sometimes.This has made the SA model quite popular in the last 5 years.Spalart has al
14、so developed a nice DES variant of the SA model, where the large eddies are resolved and the smaller edies are modeled using the SA model.This type of hybrid RANS/LES models have produced very good results for massively separated flows in aerospace applications-there is a very nice example of a SA D
15、ES simulation of a stalling F18 which you can probably find on the net if you google a bit.For heat transfer applications Id not recommend SA.It often under-predicts heat-transfer.对于解决动力漩涡粘性,Spalart-Allmaras 模型是相对简洁的方程。它包含了一组新的方程,在这些方程里不必要去计算和剪应力层厚度相关的长度尺度。Spalart-Allmaras 模型是设计用于航空领域的,主要是墙壁束缚流淌,而且已
16、经显示出和好的效果。在透平机械中的应用也愈加广泛。 在原始形式中Spalart-Allmaras 模型对于低雷诺数模型是特别有效的,要求边界层中粘性影响的区域被适当的解决。在FLUENT中,Spalart-Allmaras 模型用在网格划分的不是很好时。这将是最好的选择,当精确的计算在湍流中并不是特别需要时。再有,在模型中近壁的变量梯度比在k-e模型和k-模型中的要小的多。这或答应以使模型对于数值的误差变得不敏感。需要留意的是Spalart-Allmaras 模型是一种新出现的模型,如今不能断定它适用于全部的困难的工程流体。例如,不能依靠它去意料均匀衰退,各向同性湍流。还有要留意的是,单方程的
17、模型经常因为对长度的不敏感而受到指责,例如当流淌墙壁束缚变为自由剪切流。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流淌,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靠近,中心问题是怎样计算漩涡粘度。这个模型被Spalart-Allmaras提出,用来解决因湍流淌粘滞率而修改的数量方程。模型评价: Spalart-Allmaras模型是相对简洁的单方程模型,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转变,这对一些流淌尺度变换比较大的流淌
18、问题不太适合;比方平板射流问题,从有壁面影响流淌突然转变到自由剪切流,流场尺度转变明显等问题。 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全部的困难的工程流体。例如不能依靠它去意料均匀衰退,各向同性湍流。 k-模型 标准k-模型 最简洁的完好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,有合理的精度,这就是为什么它在
19、工业流场和热交换模拟中有如此广泛的应用了。它是个半阅历的公式,是从试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,数学上模拟相像原型方程得到的。应用范围: 该模型假设流淌为完全湍流,分子粘性的影响可以忽视,此标准-模型只适合完全湍流的流淌过程模拟。 由于人们已经知道了k-模型适用的范围,因此人们对它加以改造,出现了RNG k-模型和带旋流修正k-模型: 1.RNG k-模型 RNG k-模型来源于严格的统计技术。它和标准k-模型很相像,但是有以下改良: 1.RNG模型在方程中加了一个条件,有效的改善了精度; 2.考虑到了湍流漩涡,提高了在这方面的精度;
20、3.RNG理论为湍流Prandtl数供应了一个解析公式,然而标准k-模型运用的是用户供应的常数。 4.然而标准k-模型是一种高雷诺数的模型,RNG理论供应了一个考虑低雷诺数流淌粘性的解析公式。这些公式的效用依靠正确的对待近壁区域。这些特点使得RNG k-模型比标准k-模型在更广泛的流淌中有更高的可信度和精度。2.带旋流修正的 k-模型(可实现的k-模型)带旋流修正的 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。1.带旋流修正的 k-模型为湍流粘性增加了一个公式。2.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
21、要确保在雷诺压力中要有数学约束,湍流的连续性。 3.带旋流修正的 k-模型干脆的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的意料。而且它对于旋转流淌、强逆压梯度的边界层流淌、流淌分别和二次流有很好的表现。 4.带旋流修正的 k-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,所以如今还没有确凿的证据说明它比RNG k-模型有更好的表现。但是最初的探讨说明带旋流修正的 k-模型在全部k-模型中流淌分别和困难二次流有很好的作用。 5.旋流修正的 k-模型的一个缺乏是在主要计算旋转和静态流淌区域时不能供应自然的湍流粘度。这是
22、因为带旋流修正的 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明,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留意。应用范围: 可实现的k-模型干脆的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的意料。而且它对于旋转流淌、强逆压梯度的边界层流淌、流淌分别和二次流有很好的表现。 可实现的k-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,所以如今还没有确凿的证据说明它比RNG k-模型有更好的表现。但是最初的探讨说明可实现的k-模型在全部k-模型中流淌
23、分别和困难二次流有很好的作用。 该模型适合的流淌类型比较广泛,包括有旋均匀剪切流,自由流射流和混合层,腔道流淌和边界层流淌。对以上流淌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-模型的一个缺乏是在主要计算旋转和静态流淌区域时不能供应自然的湍流粘度,这是因为可实现的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明,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留意。k-模型标准 k-模型 标准k-模型是基于Wilcox k-模型,它是为考虑
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- 2023 湍流 模型
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