几种湍流模型
四种常用湍流模型在二维后向台阶流数值模拟上的性能比较
·通过修正涡粘系数,考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况。
·在ε方程中增加了一项,从而反映了主流的时均应变率Eij。这样就使RNG k-ε模型中的产生项不仅与流动情况有关,而且还是空间坐标的函数。
比起k-ε模型,Realizable k-ε模型有两个主要的不同点:
1)模型为湍流粘性增加了一个方程,引入了与旋转和曲率有关的内容;
2)模型为耗散率增加了一个新的输运方程,这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程。
Realizable k-ε湍流模型中k的输运方程仍为(4),但其ε的输运方程则在(5)的基础上修改如下[11]:
这些特点使RNG k-ε模型比k-ε模型在处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动中有更高的可信度和精度。
RNG k-ε湍流模型中k的输运方程仍为方程(4),但其ε的输运方程则在方程(5)的基础上修改如下[10]:
这里S为 modul us of t he mean rate-of-strain tensor,β=0.012,η0=4.38。此外,σk,σε,C1ε,C2ε和Cμ的取值也不同,分别为0.719 4,0.719 4,1.42,1.68和0.084 5。
这里为在以角速度ωk旋转的参照系之所观察到的平均rate-of-rotation tensor。A 0=4.04,As 则用下式计算,
Realizable k-ε模型的k和ε的输运方程中的常数C1ε=1.44,C2=1.9,σk=1.0,σε=1.2.
(4)k-ω湍流模型[12]
k-ω湍流模型假定涡粘系数由下式计算
几种湍流模型
解决湍流的模型总计就是那几个方程,Flue nt又从工程和数值的角度进行了整理,下面就是这些湍流模型的详细说明。
FLUENT提供了以下湍流模型:•Spalart-Allmaras 模型•k-e模型—标准k-e模型—Ren ormalizatio n-group (RNG^e 模型—带旋流修正k-e模型•k-3模型—标准k- 3模型—压力修正k- 3模型雷诺兹压力模型大漩涡模拟模型几个湍流模型的比较:从计算的角度看Spalart-Allmaras模型在FLUENT中是最经济的湍流模型,虽然只有一种方程可以解。
由于要解额外的方程,标准ke模型比Spalart-Allmaras模型耗费更多的计算机资源。
带旋流修正的k-e模型比标准ke模型稍微多一点。
由于控制方程中额外的功能和非线性,RN&七模型比标准k-e模型多消耗10〜15%的CPU时间。
就像k七模型,k-3模型也是两个方程的模型,所以计算时间相同。
比较一下k◎莫型和k-3模型,RSM模型因为考虑了雷诺压力而需要更多的CPU时间。
然而高效的程序大大的节约了CPU时间。
RSM模型比k-e模型和k-3模型要多耗费50〜60%的CPU时间,还有15〜20%的内存。
除了时间,湍流模型的选择也影响FLUENT勺计算。
比如标准k-e模型是专为轻微的扩散设计的,然而RNGk-e模型是为高张力引起的湍流粘度降低而设计的。
这就是RNG莫型的缺点。
同样的,RSM模型需要比k-e模型和k-3模型更多的时间因为它要联合雷诺压力和层流。
概念:1•雷诺平均:在雷诺平均中,在瞬态N-S方程中要求的变量已经分解为时均常量和变量。
相似的,像压力和其它的标量;(10.2-2)i「这里••表示一个标量如压力,动能,或粒子浓度。
2. Boussinesq逼近从雷诺压力转化模型:禾U用Bouss in esq假设把雷诺压力和平均速度梯度联系起来:+茁飞(肚+川亦)也(10 2-O)Boussinesq假设使用在Spalart-Allmaras模型、k-e模型和k- 3模型中。
9个湍流模型介绍
9个湍流模型介绍
好的,为你介绍9个湍流模型:
1. Reynolds平均的NS方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes,RANS):Reynolds 提出了平均法,将“瞬时值=平均值+脉动值”带入不可压缩流体控制方程中,得到了一个更复杂的方程。
对于可压缩流体,假设瞬时密度的变化对流动影响不大,忽略其影响。
2. Reynolds应力模型(RSM):模仿控制方程的样子,搞出一个针对Reynolds应力的输运方程。
3. 代数应力模型(ASM):简化Reynolds应力方程的对流项和扩散项。
此外,还有一些其他湍流模型,如Spalart-Allmaras模型、k-双方程模型等。
这些模型都有各自的特点和适用范围,可根据具体问题选择合适的湍流模型进行计算。
湍流模型选择
FLUENT中的湍流模型很多,有单方程模型,双方程模型,雷诺应力模型,转捩模型等等。
这里只针对最常用的模型。
2、湍流模型的选择关于壁面函数,无滑移边界壁面,y+和第一层网格尺寸(转部分)1、无论是标准k —£模型、RNGk —£模型,还是Realizable k —£ 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,是对某些湍流模型通过壁面函数法和低Re数k —e模型与标准k —e模型和RNGk —e模型配合,成功解决整个整个管道的流动计算问题。
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 —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 —e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 —e模型。
总结:相对于低Re数的k —e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。
为什么要使用壁面函数呢?首先,在CFD中应用湍流模型并不一定需要使用壁面函数,在粘性支层中可以对N-S方程直接求解。
在粘性支层中,速度梯度很大,vorticity不为零,所以要直接求解,就必须在粘性支层中布置较多节点,一般要10层以上,这就是一般的低Re数湍流模型。
不同湍流模型在管道流动阻力计算中的应用和比较
不同湍流模型在管道流动阻力计算中的应用和比较
湍流是流体动力学中最重要的组成部分,在工程上得到了广泛的应用。
为了精确地分析管道流动中的流动特性,需要准确地描述流体的湍流特性。
湍流模型就是用来改进对流体的湍流的描述的数学模型。
在管道流动阻力计算中,不同的湍流模型有不同的应用方式,下面简要介绍一下这几种湍流模型:
1、经典的普朗特-普朗特湍流模型:该模型是如今最为广泛应用的湍流模型,使用起来要比经典的热力学方程模型要简单得多,只需要几个基本参数即可描述湍流特性。
该模型可以用来准确地模拟管道流动中的湍流,但是它在复杂流动下的表现较差。
2、粘性网格模型:该模型基于均匀网格模型,利用积分方法求解流场中的湍流问题,只要改变网格的粘性系数,就可以模拟出不同湍流程度的流动特性,这对于对不同湍流流动的研究具有重要意义。
3、瞬态湍流模型:该模型使用流体力学中的连续方程组来描述瞬态湍流,可以用来分析复杂的管道流动中的湍流特性,这个模型的优势在于它能够精确地模拟出管道流动中的流动特性。
湍流模型在管道流动阻力计算中应用比较:
经典的普朗特-普朗特湍流模型:该模型只需要几个参
数就可以准确描述湍流特性,因此,在管道流动阻力计算中应用较为广泛,它的计算简单,准确性较高,但是它在复杂流动下的表现较差。
粘性网格模型:该模型可以用来计算管道内湍流流动的阻力,但是由于其计算复杂,需要改变网格的粘性系数,因此在管道流动阻力计算中应用不太广泛。
瞬态湍流模型:该模型能够精确地模拟出管道流动中的流动特性,因此,在计算管道流动中的湍流阻力时,该模型是最为准确的,但是,由于计算复杂,局限性较大,因此,在管道流动阻力计算中的应用也很少。
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常用湍流模型及其在FLUENT软件中的应用
常用湍流模型及其在FLUENT软件中的应用常用湍流模型及其在FLUENT软件中的应用湍流是流体运动中不可避免的现象,它具有无规则、随机和混沌等特点,对于流体力学研究和工程应用具有重要影响。
为了更好地模拟流体运动中的湍流现象,并进行相关的工程计算和优化设计,科学家们提出了许多湍流模型。
本文将介绍一些常用的湍流模型,并探讨它们在流体动力学软件FLUENT中的应用。
1. 动力学湍流模型(k-ε模型)动力学湍流模型是最为经典和常用的湍流模型之一,主要通过求解湍流动能k和湍流耗散率ε来模拟湍流运动。
这一模型主要适用于较为简单的湍流流动,如外部流场和平稳湍流流动。
在FLUENT软件中,用户可以选择不同的k-ε模型进行计算,并对模型参数进行调整,以获得更准确的湍流模拟结果。
2. Reynolds应力传输方程模型(RSM模型)RSM模型是基于雷诺应力传输方程的湍流模型,它通过求解雷诺应力分量来描述湍流的速度脉动特性。
相比于动力学湍流模型,RSM模型适用于复杂的湍流流动,如边界层分离流动和不可压缩流动。
在FLUENT软件中,用户可以选择RSM模型,并对模型参数进行优化,以实现对湍流流动的更精确模拟。
3. 混合湍流模型混合湍流模型是将多个湍流模型相结合,以更好地模拟不同湍流流动。
常见的混合湍流模型有k-ε和k-ω模型的组合(k-ε/k-ω模型)和k-ε模型和RSM模型的组合(k-ε/RSM模型)等。
在FLUENT软件中,用户可以选择不同的混合模型,并根据具体的流动特征进行模型参数调整,以实现更准确的湍流模拟。
除了上述介绍的常用湍流模型外,FLUENT软件还提供了其他的湍流模型选择,如近壁函数模型(近壁k-ω模型、近壁k-ε模型)、湍流耗散模型(SD模型)、多场湍流模型(尺度能量模型)等。
这些模型针对不同的湍流现象和流动特性,提供了更加丰富和精确的模拟方法。
在FLUENT软件中,用户可以根据具体的工程问题和流动特性选择合适的湍流模型,并进行相应的设置和参数调整。
湍流模型 种类
湍流模型的种类:
1. Spalatrt-Allmaras模型:一种一方程模型,通常用于粘性模拟,适用于无分离、可压/不可压流动问题,以及复杂几何的外部流动。
2. k-epsilon模型:广泛应用于粘性模拟,一般问题,适用于无分离、可压/不可压流动问题,复杂几何的外部流动。
有realizable k-epsilon,RNG k-epsilon等多种变体模型。
3. k-omega模型:广泛应用于粘性模拟,一般问题,适用于内部流动、射流、大曲率流、分离流。
4. transition k-kl-omega模型:应用于壁面约束流动和自由剪切流,可以应用于尾迹流、混合层流动和平板绕流、圆柱绕流、喷射流。
5. transition SST模型:在近壁区比标准k-w模型具有更好的精度和稳定性。
6. Scale Adaptive Simulation(SAS模型):用于分离区域,航天领域。
不稳定流动区域计算类似于LES,稳态区域计算类似于RANS。
7. Detached Eddy Simulation(DES模型):用于外部气动力,气动声学,壁面湍流。
拓展资料
湍流模型是微分方程类型,常用的湍流模型可根据所采用的微分方程数进行分类为:零方程模型、一方程模型、两方程模型、四方程模型、七方程模型等。
湍流模型介绍
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:直接模拟(direct numerical simulation, DNS)直接数值模拟(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方程直接求解。
这种方法能对湍流流动中最小尺度涡进行求解,要对高度复杂的湍流运动进行直接的数值计算,必须采用很小的时间与空间步长,才能分辨出湍流中详细的空间结构及变化剧烈的时间特性。
基于这个原因,DNS目前仅限于相对低的雷诺数中湍流流动模型。
另外,利用DNS模型对湍流运动进行直接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速度要非常的高,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直接求解N-S方程,其网格尺度比湍流尺度大,可以模拟湍流发展过程的一些细节,但其计算量仍很大,也仅用于比较简单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,而且随流动的情形而异。
大尺度的涡通过相互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。
这些对涡旋的认识基础就导致了大涡模拟方法的产生。
Les大涡模拟采用非稳态的N-S方程直接模拟大尺度涡,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的要求虽然仍然很高,但是远远低于DNS方法对计算机的要求,因而近年来的研究与应用日趋广泛。
应用Reynolds时均方程(Reynolds-averaging equations)的模拟方法许多流体力学的研究和数值模拟的结果表明,可用于工程上现实可行的湍流模拟方法仍然是基于求解Reynolds时均方程及关联量输运方程的湍流模拟方法,即湍流的统观模拟方法。
fluent中常见的湍流模型及各自应用场合
标题:深入探讨fluent中常见的湍流模型及各自应用场合在fluent中,湍流模型是模拟复杂湍流流动的重要工具,不同的湍流模型适用于不同的流动情况。
本文将深入探讨fluent中常见的湍流模型及它们各自的应用场合,以帮助读者更深入地理解这一主题。
1. 简介湍流模型是对湍流流动进行数值模拟的数学模型,通过对湍流运动的平均值和湍流运动的涡旋进行描述,以求解湍流运动的平均流场。
在fluent中,常见的湍流模型包括k-ε模型、k-ω模型、LES模型和DNS模型。
2. k-ε模型k-ε模型是最常用的湍流模型之一,在工程领域有着广泛的应用。
它通过求解两个方程来描述湍流场,即湍流能量方程和湍流耗散率方程。
k-ε模型适用于对流动场变化较为平缓的情况,如外流场和边界层内流动。
3. k-ω模型k-ω模型是另一种常见的湍流模型,在边界层内流动和逆压力梯度流动情况下有着良好的适用性。
与k-ε模型相比,k-ω模型对于边界层的模拟更加准确,能够更好地描述壁面效应和逆压力梯度情况下的流动。
4. LES模型LES(Large Ey Simulation)模型是一种计算密集型的湍流模拟方法,适用于对湍流细节结构和湍流的大尺度结构进行同时模拟的情况。
在fluent中,LES模型通常用于对湍流尾流、湍流燃烧和湍流涡流等复杂湍流流动进行模拟。
5. DNS模型DNS(Direct Numerical Simulation)模型是一种对湍流流动进行直接数值模拟的方法,适用于小尺度湍流结构的研究。
在fluent中,DNS模型常用于对湍流的微观结构和湍流的小尺度特征进行研究,如湍流能量谱和湍流的空间分布特性等。
总结与回顾通过本文的介绍,我们可以看到不同的湍流模型在fluent中各有其适用的场合。
从k-ε模型和k-ω模型适用于工程领域的实际流动情况,到LES模型和DNS模型适用于研究湍流细节结构和小尺度特征,每种湍流模型都有其独特的优势和局限性。
几种湍流模型
解决湍流的模型总计就是那几个方程,Fluent 又从工程和数值的角度进行了整理,下面就是这些湍流模型的详细说明。
FLUENT 提供了以下湍流模型: ·Spalart-Allmaras 模型 ·k-e 模型 -标准k-e 模型 -Renormalization-group (RNG) k -e 模型 -带旋流修正k -e 模型 ·k-ω模型 -标准k-ω模型 -压力修正k-ω模型 雷诺兹压力模型 大漩涡模拟模型几个湍流模型的比较:从计算的角度看Spalart-Allmaras 模型在FLUENT 中是最经济的湍流模型,虽然只有一种方程可以解。
由于要解额外的方程,标准k -e 模型比Spalart-Allmaras 模型耗费更多的计算机资源。
带旋流修正的k -e 模型比标准k -e 模型稍微多一点。
由于控制方程中额外的功能和非线性,RNG k -e 模型比标准k -e 模型多消耗10~15%的CPU 时间。
就像k -e 模型,k -ω模型也是两个方程的模型,所以计算时间相同。
比较一下k -e 模型和k -ω模型,RSM 模型因为考虑了雷诺压力而需要更多的CPU 时间。
然而高效的程序大大的节约了CPU 时间。
RSM 模型比k -e 模型和k -ω模型要多耗费50~60%的CPU 时间,还有15~20%的内存。
除了时间,湍流模型的选择也影响FLUENT 的计算。
比如标准k -e 模型是专为轻微的扩散设计的,然而RNG k -e 模型是为高张力引起的湍流粘度降低而设计的。
这就是RNG 模型的缺点。
同样的,RSM 模型需要比k -e 模型和k -ω模型更多的时间因为它要联合雷诺压力和层流。
概念:1.雷诺平均:在雷诺平均中,在瞬态N-S 方程中要求的变量已经分解为时均常量和变量。
相似的,像压力和其它的标量 )22.10('-+= i i i φφφ这里φ表示一个标量如压力,动能,或粒子浓度。
几种湍流模型对超燃发动机冷态流场的数值模拟
8 8
机 电技术
2 0 1 3 年4 月
宽7 5 r n l T l 。其 中 , 进 气道 的长 度为 1 8 0 1 T I 1 T I ,进 口 位置 的偏 转角为 9 。, 在 1 3 5 1 T n T I 位置 的偏 转角 为 1 2 。。 燃烧 段长度 为 2 5 0 mm, 喉道 宽度 为 2 4 1 Y l n l 。 在距 进气 道入 口 9 5 mn l 的位置 上 ,上下表 面各 有 4个 氢气 喷 口,每个 喷 口直径 为 2 1 T l n q ,与 进气 道 壁面 的夹 角为 4 5 。。
图 1 为 超燃 发动机 模 型 的横 截面 。图 2为超 燃发 动机 模型 的 3 D 视 图 ,其 中两侧 面在进 气道
方 向均 设 有“ V” 形状 的开 口。 模 型全 长为 6 2 5 m l T l ,
1 . 1 标准 k - £ 湍 流模 型
作 者简 介 :陈 I  ̄ t J ( 1 9 8 6 -) ,硕 士研 究生 ,研 究方 向:超 然冲 压发 动机 的数 值模 拟 。
要, 需 要 采 用 不 同的 计算 方 法 来 处 理 相 关 流 场 结
果 。为 了理解 超 声速 燃烧 室 壁面 测得 静压 数据 分
布所 包 含 的 内部流 场 性 质 。 研 究超 声 速 燃 烧 的物 理过 程 “ 。一 维流 场 分析 模 型” 被认 为 在超 声速 燃 烧性 能估 算 方面 是一 种 有力 的工 具 。这种 模 型建 立在 试验 数据 基 础上 ,只考虑 变 量在 流 向上 的变 化 ,可 以直观 的分 析流 场结 果 ,计算 量小 。 本文 简要 的给 出几种 湍流 模 型 的特 点,具 体
早 在上 世纪 5 0年 代 , 研 究人 员就 已经 开始对
四种湍流模型介绍
四种湍流模型介绍湍流是一种自然界中的非常普遍的现象,它的产生非常复杂且难以完全理解。
然而,对于一些科学领域来说,湍流是非常重要的,比如气象学、海洋学、工程学等。
湍流的模拟对于这些领域中的许多问题都是至关重要的。
本文将介绍四种湍流模型的基本概念及其应用。
1. DNS(直接数值模拟)DNS模型是把流体问题看做一组微分方程的解,对流体流动的每个细节都进行了计算。
这种模型的重要性在于它能够提供非常详细的流场信息,而且可以完全地描述流体力学问题,因此它也被称为“参考模型”。
然而,DNS模型也有一些局限性。
由于湍流的分子尺度是非常小的,因此在模型计算时需要高分辨率的计算网格,这使得计算时间和存储空间要求非常高。
此外,由于瞬时的湍流性质非常不稳定,因此DNS模型的计算过程也非常复杂。
因此,在实际应用中,DNS模型的应用受到了很大的限制。
2. LES(大涡模拟)LES模型是将湍流分解成大尺度的大涡和小尺度的小涡,并通过计算大涡的运动来获得流场的信息。
相比于DNS模型,LES模型计算的时间和存储空间要求比较低。
但是,这种模型仍然需要计算小涡的贡献,因此计算时仍然需要很高的分辨率。
在工程学中,这种模型常用于模拟湍流流动问题,比如气动噪声、汽车的气动流动、空气污染等问题,因为模型能够更好地反映流场的基本特性,提供比较准确的结果。
3. RANS(雷诺平均纳维-斯托克斯方程模型)RANS模型通过对湍流流场的平均速度和压力场进行求解,以获得平均情况下的流动情况。
该模型在计算湍流流场时,只需要考虑平均的流态,不需要计算流动中的小且不稳定的涡旋,因此计算效率比较高。
这种模型常用于一些基于大规模的工程计算,如风力发电机、涡轮机、船舶的流动等。
研究发现,在这些问题中,相比于LES模型,RANS模型所得到的结果精度略低,但是在很多领域中已经被广泛地应用。
4. VLES(小尺度大涡模拟)VLES模型是LES模型和RANS模型的结合体,通过计算流场中的大尺度涡旋和小尺度涡旋来提高计算的准确性。
三种湍流模型在阶梯溢流坝数值模拟中的比较
1 2 实例 物理模 型 .
计 算 实 例模 型 溢 流 坝 堰 面 曲线 方 程 为 Y: . 3 7 , 3 6 25x 下 游 坝 面坡 比 为 1: .5 共 设 台 阶 l 07 , 3级 , 上 往 下 编 号 依 次 为 从
了 对 比 分析 。 结 果表 明 : N R Gk—s湍 流 模 型 能 够较 好 地模 拟 阶 梯 溢 流 坝 的 水 流 特 性 。
关 键 词 :阶 梯 溢 流 坝 水 流 ;V F方 法 ;s n adk O t dr 一8模 型 ;R G k一£ 型 ;R ai bek一£模 型 a N 模 e z l l a
流进 行 了 数值 模 拟 。 目前 对 阶 梯 水 流 进 行 数 值 模 拟 , 多 的 是 较 选 择 s n adk一 、 N t dr R Gk—s或 R ai bek— 模 型 中 的 一 a el al z
阶梯溢流坝 网格划分采用平铺非结 构化 网格 的方式 , 网格 采用四边形网格 , 在每一级 台 阶面上适 当加 密 网格 , 而 更好 从
摘
要: 采用 s n adk—s R G k 、 elal k— t dr a 、 N — R ai be s3种不 同的 湍流模 型并结合 V F法 , z O 对阶梯溢流 坝气液两相流 动
进行 了数值模拟 , 将不 同湍流模型所模拟 的水面线、 台阶速 度场分布及 台阶壁面压力分布 与物理模 型试验 实测结果进行
地模拟台阶间的旋涡 。压力 、 速度 的耦合采用压 力隐式算 子分 割法 ( IO算法 ) PS 进行 计算 , IO算 法在计算 过程 中进行 了相 PS
湍流模型介绍
湍流模型介绍因为湍流现象是高度复杂的,所以至今还没有一种方法能够全面、准确地对所有流动问题中的湍流现象进行模拟。
在涉及湍流的计算中,都要对湍流模型的模拟能力以及计算所需系统资源进行综合考虑后,再选择合适的湍流模型进行模拟。
FLUENT 中采用的湍流模拟方法包括Spalart-Allmaras模型、standard(标准)k −ε模型、RNG(重整化群)k −ε模型、Realizable(现实)k −ε模型、v2 −f 模型、RSM(Reynolds Stress Model,雷诺应力模型)模型和LES(Large Eddy Simulation,大涡模拟)方法。
7.2.1 雷诺平均与大涡模拟的对比因为直接求解NS 方程非常困难,所以通常用两种办法对湍流进行模拟,即对NS 方程进行雷诺平均和滤波处理。
这两种方法都会增加新的未知量,因此需要相应增加控制方程的数量,以便保证未知数的数量与方程数量相同,达到封闭方程组的目的。
雷诺平均NS 方程是流场平均变量的控制方程,其相关的模拟理论被称为湍流模式理论。
湍流模式理论假定湍流中的流场变量由一个时均量和一个脉动量组成,以此观点处理NS 方程可以得出雷诺平均NS 方程(简称RNS 方程)。
在引入Boussinesq 假设,即认为湍流雷诺应力与应变成正比之后,湍流计算就归结为对雷诺应力与应变之间的比例系数(即湍流粘性系数)的计算。
根据计算中使用的变量数目和方程数目的不同,湍流模式理论中所包含的湍流模型又被分为二方程模型、一方程模型和零方程模型(代数模型)等大类。
FLUENT 中使用的三种k −ε模型、Spalart-Allmaras 模型、k −ω模型及雷诺应力模型RSM)等都属于湍流模式理论。
大涡模拟(LES)方法是通过滤波处理计算湍流的,其主要思想是大涡结构(又称拟序结构)受流场影响较大,小涡则可以认为是各向同性的,因而可以将大涡计算与小涡计算分开处理,并用统一的模型计算小涡。
四种湍流模型介绍
由于航发燃烧室中的流动特性极其复杂,要想提高数值计算的预测能力,必须要慎重选择湍流模型。
用四种不同的湍流模型对带双径向旋流杯的下游流场进行数值模拟,将计算结果与实验结果作对比,比较各湍流模型的原理和物理基础,优劣,并分析流场速度分布和回流区特性。
涉及的湍流模型:标准k-ε湍流模型(SKE)1标准k-ε湍流模型有较高的稳定性,经济性和计算精度,应用广泛,适合高雷诺数湍流,但不适合旋流等各向异性较强的流动。
2简单的湍流模型是两个方程的模型,需要解两个变量,即速度和长度。
在fluent中,标准k-ε湍流模型自从被Launder and Spalding 提出之后,就变成流场计算中的主要工具。
其在工业上被普遍应用,其计算收敛性和准确性都非常符合工程计算的要求。
3但其也有某些限制,如ε方程包含不能在壁面计算的项,因此必须使用壁面函数。
另外,其预测强分离流,包含大曲率的流动和强压力梯度流动的结果较弱。
它是个半经验的公式,是从实验现象中总结出来的。
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κ-ε模型只适合完全湍流的流动过程模拟。
可实现的k-ε模型是才出现的,比起标准k-ε模型来有两个主要的不同点:·可实现的k-ε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-ε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-ε模型和RNG k-ε模型都显现出比标准k-ε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-ε模型是新出现的模型,所以还没有确凿的证据表明它比RNG k-ε模型有更好的表现。
工程流体力学中的湍流模型比较与分析
工程流体力学中的湍流模型比较与分析引言:湍流是流体力学中一种复杂的流动现象,它广泛存在于自然界和工程应用中。
研究和模拟湍流流动是工程流体力学中的一个重要课题。
湍流模型是用来描述湍流流动的数学模型,对于工程实践中的湍流模拟有着重要的影响。
本文将比较和分析几种常用的湍流模型,包括雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)模型、大涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)。
1. 雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)模型雷诺平均Navier-Stokes方程是湍流模拟中最常用的模型之一。
它基于雷诺平均的假设,将流动场分解为平均流动和湍流脉动两部分。
RANS模型通过求解平均流动方程和湍流脉动方程来描述流场的平均状态和湍流效应。
经典的RANS模型包括k-ε模型和k-ω模型,它们通过引入湍流能量和正应力来描述湍流的传输和衰减。
2. 大涡模拟(LES)大涡模拟是一种介于RANS模型和DNS模型之间的模型。
在LES模拟中,较大的湍流涡旋被直接模拟,而较小的涡旋则通过子网格模型(subgrid model)来描述。
LES模型可以较好地模拟湍流的空间变化特性,对于流动中的尺度较大的湍流结构有着较好的描述能力。
然而,由于需要模拟较小的湍流结构,LES模拟通常需要更高的计算资源和更复杂的数值算法。
3. 直接数值模拟(DNS)直接数值模拟是一种最为精确的湍流模拟方法,它通过直接求解包含所有空间和时间尺度的Navier-Stokes方程来模拟湍流流动。
DNS模拟可以精确地捕捉湍流流动中的所有涡旋和尺度结构,提供最为详细的湍流统计信息。
然而,由于湍流流动具有广泛的空间和时间尺度,DNS模拟通常需要巨大的计算资源和较长的计算时间。
4. 模型比较与选择在实际工程应用中,选择合适的湍流模型需要综合考虑计算资源、计算效率和模拟精度。
如果在工程实践中仅关注流场的整体特征和平均效应,RANS模型是一种简便且有效的选择,尤其是k-ε模型和k-ω模型在工程应用中得到了广泛的应用。
几种湍流模型及其在FLUENT中的应用
目前,湍流模型理论虽在理论严谨性方面不断提
用[M].北京:清华大学出版社,2004.
高,也能处理一些复杂的流动问题,但由于湍流本
[3] 陶文栓.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,
身的复杂性,现阶段还没有找到对任何问题数值模
200L
H-H洲HHH 拟都很好的模型。从工程应用的角度去看,对湍流
Realizable,c一8模型是由Shih T H等人在1995 年提出的。在该方程中,关于,c和占的输运方程如 下所示:
景(p,c)+未(删j)
2爿(¨“眠J1+GK+Gb-PC-yM蝇(5)
盖(胪)+未(舢;)
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一pCz孑K+、 忑, +cute。专c,K 。G“+5。
·Eli)1尼詈一=丢(垫oaxj+孙
与标准K一占模型相比,RNG K一占湍流模型 的最大特点在于占方程产生项的系数c0的计算中 引入了主流的时均应变率Eijo这样在RNG K一占 模型中c,-的值不仅与流动情况有关,而且在同一 问题中也是空间坐标的函数。RNG,c一占模型考虑 了流动中的旋转及旋流流动情况,可以更好地处理 高应变率及流线弯曲程度较大的流动。 1.3 Realizable K一占模型
书*q
(收稿日期:2008—09—24)
一
九江石化研发生产改性聚丙烯专用料
针对国内透明聚丙烯市场前景广阔,中同石化股份公 司九江石化公司及时抓住市场机遇,充分发挥研制、开 发、生产一条龙优势,研发生产改性聚丙烯专用料新产 品,发挥中型工业牛产试验生产装置的作用,攻克小试产 品进行工业放大的难关。形成大批昔工业生产改性聚丙烯 专用料的能力,并迅速将科研成果转化为商品行销市场。 2008年,九江石化公司共生产聚丙烯11.32万t,生产膜 料T36F、拉丝T30S等聚丙烯专用料占总产量的80%,不 仅满足了市场需求,而且取得f良好的经济效益,成为企 业新的效益增长点。
fluent中常见的湍流模型及各自应用场合
fluent中常见的湍流模型及各自应用场合湍流是流体运动中的一种复杂现象,它在自然界和工程应用中都非常常见。
为了模拟和预测湍流的行为,数学家和工程师们开发了各种湍流模型。
在Fluent中,作为一种流体动力学软件,它提供了多种常见的湍流模型,每个模型都有其自己的适用场合。
1. k-ε 模型最常见的湍流模型之一是k-ε模型。
该模型基于雷诺平均的假设,将湍流分解为宏观平均流动和湍流脉动两个部分,通过计算能量和湍动量方程来模拟湍流行为。
k-ε模型适用于边界层内和自由表面流动等具有高湍流强度的情况。
它还适用于非压缩流体和对称或旋转流动。
2. k-ω SST 模型k-ω SST模型是基于k-ε模型的改进版本。
它结合了k-ω模型和k-ε模型的优点,既能够准确地模拟边界层流动,又能够提供准确的湍流边界条件。
SST代表了"Shear Stress Transport",意味着模型在对剪切流动的边界层进行处理时更为准确。
k-ω SST模型适用于各种湍流强度的流动,特别是在激烈湍流的边界层内。
3. Reynolds Stress 模型Reynolds Stress模型是一种基于雷诺应力张量模拟湍流的高级模型。
它考虑了流场中的各向异性和非线性效应,并通过解Reynolds应力方程来确定流场中的张应力。
由于对流场的湍流行为进行了更精确的建模,Reynolds Stress模型适用于湍流流动和涡旋流动等复杂的工程应用。
然而,由于模型的计算复杂度较高,使用该模型需要更多的计算资源。
4. Large Eddy Simulation (LES)Large Eddy Simulation是一种直接模拟湍流的方法,它通过将整个流场划分为大尺度和小尺度的涡旋来模拟湍流行为。
LES适用于高雷诺数的流动,其中小尺度涡旋的作用显著。
由于需要同时解决大尺度和小尺度涡旋的运动方程,LES计算的复杂度非常高,适用于需要高精度湍流求解的工程应用。
湍流 计算模型 用法
湍流计算模型用法
以下是几种常见的湍流计算模型及其用法:
- Spalart Allmaras模型:计算量小,对一定复杂的边界层问题有较好的效果。
典型的应用场合为航空领域的绕流模拟。
- Standard k-e模型:应用多,计算量适中,有较多数据积累和比较高的精度,一般工程计算都使用此模型,但模拟旋流和绕流时有缺陷。
- RNG k-e模型:能模拟射流撞击、分离流、二次流和旋流等中等复杂流动,除强旋流过程无法精确预测外,其它流动都可以使用此模型。
- Realizable k-e模型:基本与RNG k-e模型一致,还可以更好的模拟圆形射流。
受到涡旋粘性同性假设限制,除强旋流过程无法精确预测外,其它流动都可以使用此模型。
- Stand k-w模型:对于壁面边界层,自由剪切流,低雷诺数流动性能较好。
适合于存在逆压力梯度时的边界层流动,分离与转捩。
- SST k-w模型:基本与标准k-w模型相同,由于对壁距离依赖性较强,因此不太适合于自由剪切流。
- Reynolds stress模型:是最复杂的RANS模型,避免了同性的涡粘性假设。
占用较多的CPU时间和内存。
收敛较难。
对于复杂3D流动适用,尤其是强旋流运动。
湍流模型构建
湍流模型构建一、湍流模型概述湍流是指流体在运动过程中出现的不规则、无序的运动状态。
由于湍流的不稳定性和复杂性,使得研究湍流问题成为流体力学中的难点之一。
为了描述湍流运动,需要建立适当的数学模型,即湍流模型。
目前常用的湍流模型主要有直接数值模拟(DNS)、大涡模拟(LES)和雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)三种。
二、雷诺平均Navier-Stokes方程1.基本原理雷诺平均Navier-Stokes方程是一种基于统计平均方法来描述湍流运动的数学模型。
该模型假设了在一个足够长时间内,湍流中各个位置上的速度和压力都会发生变化,并且这些变化都是随机性的。
因此,可以通过对时间进行平均来消除这种随机性,并得到一个稳定的平均场。
2.方程形式雷诺平均Navier-Stokes方程包含了连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程三个部分。
其中,连续性方程描述了质量守恒;动量守恒方程描述了动量守恒;能量守恒方程描述了能量守恒。
这三个方程的具体形式如下:连续性方程:$$\frac{\partial \rho}{\partial t}+\nabla \cdot (\rho u)=0$$动量守恒方程:$$\rho \frac{\partial u}{\partial t}+\rho u \cdot \nabla u=-\nabla p+\mu\nabla^2u+\rho g$$能量守恒方程:$$\rho c_p(\frac{\partial T}{\partial t}+u \cdot \nablaT)=\nabla\cdot(k\nabla T)+Q$$其中,$\rho$为流体密度,$u$为流速,$p$为压力,$\mu$为粘性系数,$g$为重力加速度,$c_p$为比热容,$T$为温度,$k$为热导率,$Q$为单位时间内的热源或热汇。
3.湍流模型雷诺平均Navier-Stokes方程中包含了湍流运动的统计平均过程。
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解决湍流的模型总计就是那几个方程,Fluent 又从工程和数值的角度进行了整理,下面就是这些湍流模型的详细说明。
FLUENT 提供了以下湍流模型: ·Spalart-Allmaras 模型 ·k-e 模型 -标准k-e 模型 -Renormalization-group (RNG) k -e 模型 -带旋流修正k -e 模型 ·k-ω模型 -标准k-ω模型 -压力修正k-ω模型 雷诺兹压力模型 大漩涡模拟模型几个湍流模型的比较:从计算的角度看Spalart-Allmaras 模型在FLUENT 中是最经济的湍流模型,虽然只有一种方程可以解。
由于要解额外的方程,标准k -e 模型比Spalart-Allmaras 模型耗费更多的计算机资源。
带旋流修正的k -e 模型比标准k -e 模型稍微多一点。
由于控制方程中额外的功能和非线性,RNG k -e 模型比标准k -e 模型多消耗10~15%的CPU 时间。
就像k -e 模型,k -ω模型也是两个方程的模型,所以计算时间相同。
比较一下k -e 模型和k -ω模型,RSM 模型因为考虑了雷诺压力而需要更多的CPU 时间。
然而高效的程序大大的节约了CPU 时间。
RSM 模型比k -e 模型和k -ω模型要多耗费50~60%的CPU 时间,还有15~20%的内存。
除了时间,湍流模型的选择也影响FLUENT 的计算。
比如标准k -e 模型是专为轻微的扩散设计的,然而RNG k -e 模型是为高张力引起的湍流粘度降低而设计的。
这就是RNG 模型的缺点。
同样的,RSM 模型需要比k -e 模型和k -ω模型更多的时间因为它要联合雷诺压力和层流。
概念:1.雷诺平均:在雷诺平均中,在瞬态N-S 方程中要求的变量已经分解为时均常量和变量。
相似的,像压力和其它的标量 )22.10('-+= i i i φφφ这里φ表示一个标量如压力,动能,或粒子浓度。
2. Boussinesq 逼近从雷诺压力转化模型:利用Boussinesq 假设把雷诺压力和平均速度梯度联系起来:Boussinesq 假设使用在Spalart-Allmaras 模型、k -e 模型和k -ω模型中。
这种逼近方法好处是对计算机的要求不高。
在Spalart-Allmaras 模型中只有一个额外的方程要解。
k -e 模型和k -ω模型中又两个方程要解。
Boussinesq 假设的不足之处是假设u t 是个等方性标量,这是不严格的。
1.Spalart-Allmaras 模型(1equ):方程是:这里G v是湍流粘度生成的,Y v是被湍流粘度消去,发生在近壁区域。
S~是用户定义的。
注意到湍流动能在Spalart-Allmaras没有被计算,但估计雷诺压力时没有被考虑。
特点:1). Spalart-Allmaras模型是设计用于航空领域的,主要是墙壁束缚流动,而且已经显示出和好的效果。
2)。
在原始形式中Spalart-Allmaras模型对于低雷诺数模型是十分有效的,要求边界层中粘性影响的区域被适当的解决。
3)。
不能依靠它去预测均匀衰退,各向同性湍流。
还有要注意的是,单方程的模型经常因为对长度的不敏感而受到批评,例如当流动墙壁束缚变为自由剪切流。
2.k-e模型(2equ):2.1、标准k-e模型的方程湍流动能方程k,和扩散方程e:方程中G k表示由层流速度梯度而产生的湍流动能,计算方法在10.4.4中有介绍。
G b是由浮力产生的湍流动能,10.4.5中有介绍,Y M由于在可压缩湍流中,过渡的扩散产生的波动,10.4.6中有介绍,C1,C2,C3,是常量,σk和σe是k方程和e方程的湍流Prandtl数,S k和S e是用户定义的。
特点:标准k-e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,这就是为什么它在工业流场和热交换模拟中有如此广泛的应用了。
它是个半经验的公式,是从实验现象中总结出来的。
2.2、RNG k-e模型(2equ):RNG k-e 模型的方程G k是由层流速度梯度而产生的湍流动能,10.4.4介绍了计算方法,G b是由浮力而产生的湍流动能,10.4.5介绍了计算方法,Y M由于在可压缩湍流中,过渡的扩散产生的波动,10.4.6中有介绍,C1,C2,C3,是常量,a k和a e是k方程和e方程的湍流Prandtl数,S k 和S e是用户定义的。
RNG和标准k-e模型的区别在于:这里特点:RNG k-e模型来源于严格的统计技术。
它和标准k-e模型很相似,但是有以下改进:·RNG模型在e方程中加了一个条件,有效的改善了精度。
·考虑到了湍流漩涡,提高了在这方面的精度。
·RNG理论为湍流Prandtl数提供了一个解析公式,然而标准k-e模型使用的是用户提供的常数。
·然而标准k-e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。
这些公式的效用依靠正确的对待近壁区域这些特点使得RNG k-e模型比标准k-e模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。
1.带旋流修正的k-e模型(2equ):带旋流修正k-e模型的方程在方程中,G k是由层流速度梯度而产生的湍流动能,10.4.4介绍了计算方法,G b是由浮力而产生的湍流动能,10.4.5介绍了计算方法,Y M由于在可压缩湍流中,过渡的扩散产生的波动,10.4.6中有介绍, C2,C1e是常量,σk和σe是k方程和e方程的湍流Prandtl数,S k和S e是用户定义的。
特点:带旋流修正的k-e模型和RNG k-e模型都显现出比标准k-e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-e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-e模型有更好的表现。
但是最初的研究表明带旋流修正的k-e模型在所有k-e模型中流动分离和复杂二次流有很好的作用。
带旋流修正的k-e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。
这是因为带旋流修正的k-e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-e模型。
由于这些修改,把它应用于多重参考系统中需要注意。
3.k-ω模型(2equ):3.1、标准k-ω模型的方程在方程中,G k是由层流速度梯度而产生的湍流动能。
Gω是由ω方程产生的。
T k和Tω表明了k和ω的扩散率。
Y k和Yω由于扩散产生的湍流。
,所有的上面提及的项下面都有介绍。
S k和S e是用户定义的。
特点:标准k-ω模型是基于Wilcox k-ω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。
Wilcox k-ω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。
3.2、剪切压力传输(SST)k-ω模型(2equ):SST K-ω流动方程:其方程:和G表示湍流的动能,为ω方程,,分别代表k与ω的有效方程中,k扩散项,分别代表k与ω的发散项。
代表正交发散项。
与用户自定义。
这个公式与标准K-ω模型不同,区别在于标准K-ω中,为一常数,而SST模型中,方程如下:其中:特点:SST k-ω模型和标准k-ω模型相似,但有以下改进:·SST k-ω模型和k-e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k-ω模型有效,还有自由表面,这对k-e模型的变形有效。
·SST k-ω模型合并了来源于ω方程中的交叉扩散。
·湍流粘度考虑到了湍流剪应力的传波。
·模型常量不同这些改进使得SST k-ω模型比标准k-ω模型在在广泛的流动领域中有更高的精度和可信度。
四.雷诺压力模型(RSM):雷诺应力流动方程:在这些项中,不需要模型,而需要建立模型方程使方程组封闭特点:由于RSM比单方程和双方程模型更加严格的考虑了流线型弯曲、漩涡、旋转和张力快速变化,它对于复杂流动有更高的精度预测的潜力。
但是这种预测仅仅限于与雷诺压力有关的方程。
压力张力和耗散速率被认为是使RSM模型预测精度降低的主要因素。
RSM模型并不总是因为比简单模型好而花费更多的计算机资源。
但是要考虑雷诺压力的各向异性时,必须用RSM模型。
例如飓风流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流。
五.大涡模拟:传统的流场计算方法是用N-S方程,即RANS法,在此方法制,所有的湍流流场都可以模拟,其结果可保存。
理论上,LES法处于DNS与RANS之间,大尺寸漩涡用LES法,而小尺寸的漩涡用RANS方程求解,使用LES法的原则如下:(1)动量,质量,能量主要由大尺寸漩涡传输;(2)大涡在流动中期主导作用,它们主要由流动的几何,边界条件来确定。
(3)小涡不起主导作用(尺寸上),单其解决方法更具有通用性(4)当仅有小涡时,更容易建立通用的模型当解决仅有大涡否则仅有小涡的问题时,所受的限制要比DNS法少的多。
然而在实际工程中,需要很好的网格划分,这需要很大的计算代价,只有计算机硬件性能大幅提高,或者采用并行运算,LES才可能用于实际工程。