湍流模型概述
湍流模型及其在FLUENT软件中的应用
湍流模型及其在FLUENT软件中的应用一、本文概述湍流，作为流体动力学中的一个核心概念，广泛存在于自然界和工程实践中，如大气流动、水流、管道输送等。
由于其高度的复杂性和非线性特性，湍流一直是流体力学领域的研究重点和难点。
随着计算流体力学（CFD）技术的快速发展，数值模拟已成为研究湍流问题的重要手段。
其中，湍流模型的选择和应用对于CFD模拟结果的准确性和可靠性具有决定性的影响。
本文旨在深入探讨湍流模型的基本理论及其在FLUENT软件中的应用。
我们将简要回顾湍流的基本概念、特性和分类，为后续的模型介绍和应用奠定基础。
接着，我们将详细介绍几种常用的湍流模型，包括雷诺平均模型（RANS）、大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）等，并重点分析它们的适用范围和优缺点。
在此基础上，我们将重点关注FLUENT软件在湍流模拟方面的应用。
FLUENT作为一款功能强大的CFD软件，提供了丰富的湍流模型供用户选择。
我们将通过具体案例，展示如何在FLUENT中设置和应用不同的湍流模型，以及如何通过参数调整和结果分析来优化模拟效果。
我们还将探讨湍流模型选择的影响因素和最佳实践，以帮助读者更好地理解和应用湍流模型。
本文将对湍流模型在FLUENT软件中的应用进行总结和展望，分析当前存在的问题和挑战，并探讨未来的发展趋势和应用前景。
通过本文的阅读，读者可以全面了解湍流模型的基本理论及其在FLUENT 软件中的应用方法，为实际工程问题的解决提供有力的理论支持和技术指导。
二、湍流基本理论湍流，亦被称为乱流或紊流，是一种流体动力学现象，其特点是流体质点做极不规则而又连续的随机运动，同时伴随有能量的传递和耗散。
湍流与层流相对应，是自然界和工程实践中广泛存在的流动状态。
湍流流动的基本特征是流体微团运动的随机性和脉动性，即流体微团除有沿平均运动方向的运动外，还有垂直于平均运动方向的脉动运动。
这种脉动运动使得流体微团在运动中不断混合，流速、压力等物理量在空间和时间上均呈现随机性质的脉动和涨落。
四种湍流模型介绍知识讲解
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。
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。
《湍流流动模型》课件
• 混合模型：结合基于方程的模型 和基于统计的模型的特点，通过 混合这两种方法来描述湍流流动 。如SST k-ω模型和修正后的k-ε 模型等。计算量适中，精度较高 ，适用于多种工程应用场景。
03 湍流流动模型的建立与求解
湍流流动模型的建立
湍流现象的描述
湍流是流体的一种复杂流动状态，具有高度的不规则性和 随机性。为了理解和模拟湍流，需要建立一个数学模型来 描述其基本特征和规律。
3
纳维-斯托克斯方程的满足度
检验模型是否满足纳维-斯托克斯方程，以评估 模型的物理意义和准确性。
湍流流动模型的应用Байду номын сангаас例
航空航天领域
湍流流动模型用于研究飞行器在高速飞行时 产生的湍流流动现象，以提高飞行器的性能 和安全性。
能源与环境领域
湍流流动模型用于模拟燃烧过程、流体机械内部流 动等复杂湍流现象，以提高能源利用效率和环境保 护水平。
化工与制药领域
湍流流动模型用于研究化学反应过程中产生 的湍流流动现象，以提高化学反应效率和制 药工艺水平。
05
湍流流动模型的发展趋势与展 望
湍流流动模型的发展趋势
多尺度模拟
随着计算能力的提升，湍流流动模型正朝着多尺度模拟的方向发 展，以更准确地模拟湍流在不同尺度上的行为。
非线性模型
传统的线性模型在处理复杂湍流时显得力不从心，非线性模型的研 发和应用成为新的趋势。
基于本征方程的模型
本征方程模型
通过求解湍流的本征方程来描述湍流 流动。本征方程基于湍流的物理特性 ，能够更准确地描述湍流流动。但计 算量大，对计算机性能要求高。
简化的本征方程模型
为了减小计算量，对基本的本征方程 进行简化处理，如忽略某些项或采用 近似解。计算量相对较小，精度有所 降低。
湍流模型和用法
两个输运方程求解k与w。对于有界壁面和低雷诺数流动性能较好，尤其是绕流问题；包含转捩。自由剪切和压缩性选项
SST k-w
标准k-w模型的变形。使用混合函数将标准k-e模型与k-w模型结合起来，包含了转捩和剪切选项
Reynolds Stress
直接使用输运方程来解出雷诺应力，避免了其它模型的粘性假设，模拟强旋流相比其它模型有明显优势
RNG k-e
能模拟射流撞击、分离流、二次流和旋流等中等复杂流动
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
Realizable k-e
和RNG基本一致，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
2、湍流模型的选择
模型
用法
Spalart Allmaras
计算量小，对一定复杂的边界层问题有较好的效果
计算结果没有被广泛的测试，缺少子模型
典型的应用场合为航空领域的绕流模拟
Standard k-e
应用多，计算量适中，有较多数据积累和比较高的精度
对于曲率较大和压力梯度较强等复杂流动模拟效果欠佳
一般工程计算都使用此模型，其收敛性和计算精度能满足一般的工程计算要求，但模拟旋流和绕流时有缺陷
本文内容摘自《精通CFD工程仿真与案例实战》。实际上也是帮助文档的翻译，英文好的可直接参阅帮助文档。
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。1、Βιβλιοθήκη 流模型描述模型描述
Spalart-Allmaras
单方程模型，直接解出修正过的湍流粘性，用于有界壁面流动的航空领域（需要较好的近壁面网格）尤其是绕流过程；该模型也可用于粗网格。
湍流的数学模型简介精心整理版共88页
一般认为，无论湍流流动多么复杂，非稳态的连续性方 程和N-S方程(动量方程)仍然适用于湍流的瞬时流动。
第1章 湍流导论
1.3、湍流的基本方程（不可压） ❖ N-S方程
ui ui ui'
将非稳态N-S方程对时间作平均，即把湍流的运动看成是时间平均
流动与瞬间脉动流动的叠加：
'
及 t的概念，直接建立以雷诺应力为因变量的微分方程，然
后作适当假设使之封闭。这种模型也称为二阶封闭模型。
代数应力方程模型（Algebraic Stress Model，ASM）
主要思想是设法将应力的微分方程简化为代数表达式， 以减少RSM模型过分复杂的弱点，同时保留湍流各项异性 的基本特点。
3.2 湍流模型具体介绍
第2章 湍流的数值模拟方法简介
2.2 模型比较
湍流模型方法 (RANS方法)
大涡模拟方法 (LES方法)
给出了时间平均的流动信息，易于工程应用
抹去了流动的瞬态特性及细观结构，适合高雷 诺数，不具普适性
介于RANS与DNS之间，非常成功的应用于RANS
不能满足要求的高端应用，如燃烧、混合、外部空 气动力学。
、 k-g 模型等 。其中，应用最普遍的是 k-ε模型。
针对k-ε模型不足，许多学者对标准的模型进行了修正。
▪ 重整化群k-ε模型（renormalization group，RNG model） ▪ 可实现k-ε模型（realizable k-ε model） ▪ 多尺度k-ε模型（multiscale model of turbulence）
Contents
1
湍流导论
2
湍流的数学模型简介
3
雷诺应力湍流模型
雷诺应力湍流模型概述雷诺应力湍流模型是描述湍流行为的一种数学模型，它基于雷诺平均的概念，通过对湍流流动中的Reynolds应力进行建模来描述湍流流动的演化规律。
本文将介绍雷诺应力湍流模型的基本原理、适用范围和应用领域，并对其优缺点进行分析。
基本原理雷诺应力湍流模型基于雷诺平均的假设，将湍流流动中的速度场分解为平均分量和涨落分量。
平均分量是指在时间上的平均值，而涨落分量则是指与平均值的偏差。
通过对湍流流动中的Reynolds应力进行建模，雷诺应力湍流模型试图描述湍流流动的平均行为。
适用范围雷诺应力湍流模型适用于中高雷诺数下的湍流流动问题，例如工程中的流体力学计算、湍流燃烧模拟等。
由于雷诺应力湍流模型的计算复杂度相对较低，因此在实际工程应用中得到了广泛的应用。
应用领域雷诺应力湍流模型在工程领域有着广泛的应用，以下列举几个常见的应用领域：1. 空气动力学在飞行器设计中，空气动力学是一个重要的研究领域。
雷诺应力湍流模型可以用来描述飞行器周围湍流的运动规律，进而对飞行器的飞行性能进行预测和优化。
2. 汽车设计在汽车设计中，雷诺应力湍流模型可以用来模拟汽车周围的湍流流场，研究气流对汽车的阻力、升力和其他气动特性的影响，从而指导汽车外形和空气动力布局的优化设计。
3. 能源行业雷诺应力湍流模型在能源行业的应用非常广泛。
例如在火电站中，可以使用该模型来模拟燃烧室内的湍流流场，进而优化燃烧效率和减少污染物的产生。
4. 模拟与优化除了上述应用领域外，雷诺应力湍流模型还可以应用于其他领域的流体力学模拟与优化。
例如油气管道的流动模拟、水力发电站的涡轮机设计等。
优缺点分析雷诺应力湍流模型在实际应用中具有一些优点和缺点：优点•计算速度快，适用于大规模工程计算；•对几何复杂度不敏感，适用范围广；•在一些常见的湍流流动问题中能够给出较为准确的结果。
缺点•过于简化了湍流结构，无法准确反映湍流特性的细节；•对纳微尺度湍流失效，不适用于微观湍流问题；•对粘性效应较为敏感，不适用于较高雷诺数的湍流流动。
湍流模型介绍
湍流模型介绍
湍流模型是数学模型的一种，用于描述液体或气体中的湍流运动。
湍流是一种不规律的、难以预测的流体运动，通常是由于速度、密度或温度的不规则分布引起的。
湍流模型通过使用一系列方程，描述流体的速度、压力和密度等参数之间的相互作用，以预测和模拟流体的复杂运动行为。
湍流模型主要分为两类：基于雷诺平均的模型（如k-ε模型、k-ω模型）和直接数值模拟（DNS）。
每种模型都有其适用的范围和局限性，需要根据具体问题的特性选择合适的模型。
湍流模型在气象、水文、工程、航空航天等领域中得到了广泛应用。
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。
湍流模型概述
大多数飞行器都是在高Re数下飞行，表面的流态是湍流。
为了准确地确定湍流流态下的摩阻、热流，湍流成为一个重要而困难的研究课题。
（一）DNS目前处理湍流数值计算问题有三种方法，第一种方法即所谓直接数值模拟方法（DNS方法），直接求解湍流运动的N-S方程，得到湍流的瞬时流场，即各种尺度的随机运动，可以获得湍流的全部信息。
随着现代计算机的发展和先进的数值方法的研究，DNS方法已经成为解决湍流的一种实际的方法。
但由于计算机条件的约束，目前只能限于一些低Re数的简单流动，不能用于工程应用。
目前国际上正在做的湍流直接数值模拟还只限于较低的需诺数(Re～200)和非常简单的流动外形，如平板边界层、完全发展的槽道流，以及后台阶流动等。
用直接数值模拟方法处理工程中的复杂流动问题，即使是当前最先进的计算机也还差三个量级。
（二）LES另一种方法称做大涡模拟方法（LES方法）。
这是一种折衷的方法，即对湍流脉动部分直接地模拟，将N-S方程在一个小空间域内进行平均（或称之为滤波），以使从流场中去掉小尺度涡，导出大涡所满足的方程。
小涡对大涡的影响会出现在大涡方程中，再通过建立模型（亚格子尺度模型）来模拟小涡的影响。
由于湍流的大涡结构强烈地依赖于流场的边界形状和边界条件，难以找出普遍的湍流模型来描述具有不同的边界特征的大涡结构，宜做直接模拟。
相反地，小尺度涡对边界条件不存在直接依赖关系，而且一般具有各向同性性质。
所以亚格子模型具有更大的普适性，比较容易构造，这是它比雷诺平均方法要优越的地方。
自从1970年Deardorff第一次给出具有工程意义的LES计算以来，LES方法已经成为计算湍流的最强有力的工具之一，应用的方向也在逐步扩展，但是仍然受计算机条件等的限制，使之成为解决大量工程问题的成熟方法仍有很长的路要走。
（三）RANS目前能够用于工程计算的方法就是模式理论。
所谓湍流模式理论，就是依据湍流的理论知识、实验数据或直接数值模拟结果，对Reynolds应力做出各种假设，即假设各种经验的和半经验的本构关系，从而使湍流的平均Reynolds方程封闭。
湍流模型简述ppt课件
湍流模型比较
模型
SpalartAllmaras
标准 k-ε
优点
计算量小，对一定复杂程度的 边界层问题有较好效果
应用多，计算量合适，有较多 数据积累和相当精度
缺点
计算结果没有被广泛测试，缺少 子模型，如考虑燃烧或浮力问题
对于流向有曲率变化，较强压力 梯度有旋问题等复杂流动模拟效 果欠缺
RNG k-ε 能模拟射流撞击，分离流，二 次流，旋流等中等复杂流动
t C/ k1/ 2l
零方程模型和单方程模型适用于简单的流动；对于复杂流
动，系数很难给定，无通用性，故应用较少。
10
两方程模型
由求解湍流特征参数的微分方程来确定湍流粘性。包括k-ε 、 k-ω、 kτ、 k-l 模型等 。其中，应用最普遍的是 k-ε模型。
湍流粘性系数 表达式为：
11
模型参数
RANS-based models
Increase in Computational
Cost Per Iteration
Available in FLUENT 6.2
Direct Numerical Simulation
17
Fluent中湍流模型面板
Define Models Viscous...
选择了能反映湍流各向异性的代数应力模型（ASM），用数值计 算与实验研究相结合的方法对旋流器内的湍流场进行了模拟
采用RNG k-ε模型分析了旋流场内部湍流度及相对湍流度对湍流 场流动分布、湍流脉动和分离介质所产生的影响，其预报结果是有 限的。
从文献报道来看，LES大涡模型模拟的结果更可靠，更相信。 但RSM目前是工程应用中比较有效的湍流模型。
Spalart-Allmaras
计算流体力学中湍流模型概述与展望
英文回答：As an important field of research in the field ofputing fluids, the flow model is important for engineering practice and for flow flow in the natural environment. The development of flow models is intended to simplify the description of drift phenomena to achieve efficient hydrodynamic simulations. After many years of research, drift models have evolved from early empirical models to models based on mathematical physical patterns that meet the simulation needs of mobility at different levels ofplexity. However, there are limitations in the movement of boundary layers, rotational flows and pressure gradients. In the future, new flow models based on machine and in—depth learning can be hot spots for research, providing more accurate andprehensive capabilities for stream simulations. This will contribute to the promotion of scientific research and technological innovation in the field of hydrodynamics and to the development of engineering.湍流模型作为计算流体力学领域的重要研究领域，对于工程实践和自然环境中的湍流流动具有重要意义。
湍流模型介绍
为了避免这个, Favre平均定义为 W=r/r
Favre平均
f = rf/ r + f’ = f + f’ with f’ = rf’/ r =0
湍流封闭问题
时间平均N-S 方程
mb=2/3m, dij Kronecker函数 delta (dij =1 for i=j and dij = 0 for i=j)
L/ = Re3/4
湍流尺度
大尺度漩涡的能量损失正比例于 l/u, 定义式 为: e =O(u2/(l/u) =O(u3/l)
湍流能量分布
½ u’iu’i = ∫0E(k)dk
分解瞬时变量
U = U + u” P = P + p”
原因: o 我们关心平均值，而不是瞬态值. o 非实际的精细网格求解所有尺度的湍流及
Kolmogorov理论
较大尺寸的漩涡从主流吸取运动能量; 大尺度的漩涡运动能传递到较小尺度的漩涡中; 大尺度漩涡通过瀑布过程将运动能传递到小尺
度漩涡中; 对于尺寸非常小的漩涡, 摩擦力 (粘性应力) 变
得非常大, 运动能转化 (耗散) 成为内能.
Kolmogorov 简历 (网上摘录)
Kolmogorov 理论
湍流尺度
大尺度漩涡是由流动几何形状来确定的,L. 通过量纲分析确定Kolmogorov 尺度
=(n3/e)1/4 ; t =(n/e)1/2; u =(ne)1/4 , kolmogorov 长度尺度 n, 运动粘性 – m2/s e, 能量耗散率, m2/s3 (单位时间单位质量的能量)
Eddy Viscosity models(涡粘性模型) Reynolds Stress models(Reynolds应力模型) Large Eddy Simulation models(大涡模型模型)
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。
湍流模型
(T )
xk
(k T )
xk
( e
T
xk
) S
• Spalding和Launder曾总结出一个广义的第二参量
z=kmln，一般形式的z方程：
t
(z)
xk
(k z)
xk
ห้องสมุดไป่ตู้
( e z
z xk
)
Sz
不同学者推荐的不同的z
(
) xk k
(c1Gk
c2 )
标准k- 模型
在标准k-ε模型中， k和ε是两个基本未知量，与之相对应的输 运方程为：
k
t
kui
xi
x j
t k
k x j
Gk
Gb
YM
k
t
kui
xi
x j
t k
k x j
Gk
（27）
t
ui
xi
x j
t
x j
C1
k
Gk
G2
2
k
（28）
建立的k-模型进行计算，就会出现问题。这时，必须采用特
殊的处理方式，以解决近壁区内的流动计算及低Re数时的流
动问题。使用上面的k-模型可能就会出现问题。常用解决方 法有壁面函数法和低Re数的k-模型。
标准k-模型的适用性
3） 标准k-模型比零方程模型和一方程模型有了很大改
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。
[工学]5湍流的数学模型
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U * Eij Eij ~ ij ~ ij
ij ~ ij ijk k
角速度 k为的参考系观察到的时均转动速率张量 ~ ij ij 2 ijk k
湍流两方程模型
▼Realizable 模型的特点
与标准 模型相比， Realizable 模型的主要变化有：
t
ui
xi
x j
k eff
x j
Gk
ui
t
xi
x j
eff
C*
x j 1
Gk
C2
2
湍流两方程模型
▼RNG 模型方程中符号
▼标准 两方程模型
○标准 两方程模型常数取值
湍流两方程模型
▼标准 两方程模型
○不可压缩流体流动，且不考虑用户定义的源项时
ui
t
xi
x j
t k
x j
Gk
ui
基于某些假定所得出的湍流控制方程，称为湍流模型。
雷诺应力模型
雷代 诺数 应应 力力 方方 程程 模模 型型
湍流模型
湍动粘度类模型
零
一
两
方
方
方
程
程
程
模
模
模
型
型
型
湍流模型
◆雷诺应力类模型 这个模型的特点是直接构建表示雷诺应力的补充 方程，然后联立求解湍流时均运动控制方程组。
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创作编号：GB8878185555334563BT9125XW创作者：凤呜大王*大多数飞行器都是在高Re数下飞行，表面的流态是湍流。
为了准确地确定湍流流态下的摩阻、热流，湍流成为一个重要而困难的研究课题。
（一）DNS目前处理湍流数值计算问题有三种方法，第一种方法即所谓直接数值模拟方法（DNS方法），直接求解湍流运动的N-S方程，得到湍流的瞬时流场，即各种尺度的随机运动，可以获得湍流的全部信息。
随着现代计算机的发展和先进的数值方法的研究，DNS方法已经成为解决湍流的一种实际的方法。
但由于计算机条件的约束，目前只能限于一些低Re数的简单流动，不能用于工程应用。
目前国际上正在做的湍流直接数值模拟还只限于较低的需诺数(Re～200)和非常简单的流动外形，如平板边界层、完全发展的槽道流，以及后台阶流动等。
用直接数值模拟方法处理工程中的复杂流动问题，即使是当前最先进的计算机也还差三个量级。
（二）LES另一种方法称做大涡模拟方法（LES方法）。
这是一种折衷的方法，即对湍流脉动部分直接地模拟，将N-S方程在一个小空间域内进行平均（或称之为滤波），以使从流场中去掉小尺度涡，导出大涡所满足的方程。
小涡对大涡的影响会出现在大涡方程中，再通过建立模型（亚格子尺度模型）来模拟小涡的影响。
由于湍流的大涡结构强烈地依赖于流场的边界形状和边界条件，难以找出普遍的湍流模型来描述具有不同的边界特征的大涡结构，宜做直接模拟。
相反地，小尺度涡对边界条件不存在直接依赖关系，而且一般具有各向同性性质。
所以亚格子模型具有更大的普适性，比较容易构造，这是它比雷诺平均方法要优越的地方。
自从1970年Deardorff第一次给出具有工程意义的LES计算以来，LES方法已经成为计算湍流的最强有力的工具之一，应用的方向也在逐步扩展，但是仍然受计算机条件等的限制，使之成为解决大量工程问题的成熟方法仍有很长的路要走。
（三）RANS目前能够用于工程计算的方法就是模式理论。
所谓湍流模式理论，就是依据湍流的理论知识、实验数据或直接数值模拟结果，对Reynolds应力做出各种假设，即假设各种经验的和半经验的本构关系，从而使湍流的平均Reynolds方程封闭。
随着计算流体力学的发展，湍流模式理论也有了很大的进步，有了非常丰硕的成果。
从对模式处理的出发点不同，可以将湍流模式理论分类成两大类：一类称为二阶矩封闭模式，另一类称涡粘性封闭模式。
（1）雷诺应力模式所谓二阶矩封闭模式，是从Reynolds 应力满足的方程出发，将方程右端未知的项（生成项，扩散项，耗散项等）用平均流动的物理量和湍流的特征尺度表示出来。
典型的平均流动的变量是平均速度和平均温度的空间导数。
这种模式理论，由于保留了Reynolds 应力所满足的方程，如果模拟的好，可以较好地反映Reynolds 应力随空间和时间的变化规律，因而可以较好地反映湍流运动规律。
因此，二阶矩模式是一种较高级的模式，但是，由于保留了Reynolds 应力的方程，加上平均运动的方程整个方程组总计15个方程，是一个庞大的方程组，应用这样一个庞大的方程组来解决实际工程问题，计算量很大，这就极大地限制了二阶矩模式在工程问题中的应用。
（2）涡粘性模式在工程湍流问题中得到广泛应用的模式是涡粘性模式。
这是由Boussinesq 仿照分子粘性的思路提出的，即设Reynolds 应力为，ij ij k k i j j i T j i k U U U u u δδν32)32(,,,+++-= （） 这里j i u u k 21=是湍动能，T ν称为涡粘性系数，这是最早提出的基准涡粘性模式，即假设雷诺应力与平均速度应变率成线性关系，当平均速度应变率确定后，六个雷诺应力只需要通过确定一个涡粘性系数T ν就可完全确定，且涡粘性系数各向同性，可以通过附加的湍流量来模化，比如湍动能k ，耗散率ε，比耗散率ω以及其它湍流量ετ/k =，ε/2/3k l =，k q =，根据引入的湍流量的不同，可以得到不同的涡粘性模式，比如常见的ε-k ，k-w 模式，以及后来不断得到发展的τ-k ，q -w ，k-l 等模式，涡粘性系数可以分别表示为 ενμ/2k C T =，ωνμkC T =，τνμk C T =，ωνμ2q C T =，.l k C T μν=为了使控制方程封闭，引入多少个附加的湍流量，就要同时求解多少个附加的微分方程，根据求解的附加的微分方程的数目，一般可将涡粘性模式划分为三类：零方程模式，半方程模型，一方程模式，两方程模式。
1） 零方程模式所谓零方程模式是试图直接用平均流动物理量模化T ν，而不引入任何湍流量（如ε,k 等）。
例如，Prandttl 的混合长理论就是一种零方程模式：yUl T ∂∂∝2ν （5.7）式中l 称为混合长。
在零方程模式的框架下，得到最为广泛应用的是Baldwin-Lomax 模式[22]。
该模式是对湍流边界层的内层和外层采用不同的混合长假设。
这是因为靠近壁面处，湍流脉动受到很大的抑制，含能涡的尺度减小很多，因此长度尺度减小很多；另一方面，在边界层外缘，湍流呈间歇状，质量、动量和能量的输运能力大大下降，即湍流的扩散能力减小。
这样，应用混合长理论来确定涡粘性系数在这两个不同的区域应该有不同的形式。
Baldwin-Lomax 模式的具体数学描述如下。
⎩⎨⎧>≤=contT c innT T y y y y )()(ννν （5.8）这里c y 是ont inn )()(T T νν=的离壁面最小距离y 值。
对于内层，即c y y ≤，有Ω=2T )(l inn ν（5.9）Ω是涡量，l U j k ijk ,,ε=Ω是长度尺度))/(1(++--=A y exy ky l （5.10）其中k=0.4是Karman 常数，A +是模化常数，+y 是无量纲法向距离：w y U y ντ/=+而τu 是摩擦速度，其含义为,wyU u ∂∂=ντ此处下标w 表示壁面。
对于外层，即c y y >，有)(()(T y F F kleb wake out =ν （5.11） 其中)/,min(max 2max max max F U y C F y F dif wk wake =max F 是下列函数的最大值： ))/ex p(1()(++--Ω=A y y y F而m ax y 是)(y F 达到最大值的位置。
kleb F 是所谓的Klebanoff 间歇函数：16max )(5.51)(-⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅+=y y C y F kleb kleb dif U 是平均速度分布中最大值和最小值之差。
几个模化常数的值如下：.4.0;,0.1;3.0;02668.0;0.26=====+K C C C A wk kleb由上述模化关系中可以看出，Reynolds 应力完全地由当时当地的平均流参数用代数关系式所决定。
平均流场的任何变化立刻为当地的湍流所感知，这表明零方程模式是一个平衡态模式，假定湍流运动永远处于和平均运动的平衡之中。
实际上对大多数湍流运动而言，并非如此，特别是对平均流空间和时间有剧烈变化的情形，再有因为坐标y 显式地出现在湍流模式中，零方程模式不具有张量不变性，当将它应用到复杂几何外形的流动的数值模拟会带来困难。
当流动发生分离时，Baldwin-Lomax 模式会遇到困难，这是因为在分离点和再附点附近，摩擦速度τu 为零，此时要引入一些人为的干涉来消除这些困难。
计算实践表明，只要流动是附体的，零方程模式一般都可以较好地确定压强分布，但是摩阻和传热率的估算不够准确，特别是当流动有分离和再附时。
这是因为附体流压强分布对湍流应力不敏感。
总之，对附体流动，如果只关心压强分布，应用零方程模式通常可以给出满意的结果，而且模式应用起来十分简便。
但是对于我们计算摩阻的需求，零方程模式是不能满足要求。
对于有分离、再附等复杂流动，零方程模式是不适用的。
2） 半方程模式为了能计算具有较强压强梯度，特别是较强逆压梯度的非平衡湍流边界层,Johnson-King 于1985年提出了一个非平衡代数模型，该模型仍采用涡粘性假设，把涡粘性的分布与最大剪切应力联系在一起，内层涡粘性与外层涡粘性分布用一个指数函数作光滑拟合，外层涡粘性系数作为一个自由参数，由描述最大剪切应力沿流向变化的常微分方程来确定，此常微分方程是由湍流动能方程导出的，故此模型又称为半方程模型。
JK 模型虽然仍采用涡粘性假设，却包含有雷诺应力模型的特点。
由于求解常微分方程比一方程，二方程模型中求解偏微分方程要简单，省时的多，故用JK 模型的工作量只略高于通常平衡状态的零方程代数模型的工作量JK 模型后又经不断修正，发展了JK1990A ，JK1990J 以及JK1992等改进型 3） 一方程模式Baldwin-Barth(BB) 模型是在二方程模型中，将某一导出的应变量作为基本物理量而得到的，应用此一方程模型可避免求解两方程时会遇到的某些数值困难。
BB 一方程模型所选择的导出应变量为“湍流雷诺数”Rt 。
BB 模型对计算网格的要求低，壁面的网格可以与采用BL 代数模型的相当，而不象两方程k-e 模型那样要求壁面网格很细，这样就避免了在k-e 模型中流场求解的刚性问题。
Spalart-Allmaras(SA)模型与BB 模型不同，不是直接利用k-e 模型两方程模型加于简化而得，而是从经验和量纲分析出发，由针对简单流动在逐渐补充发展而适用于带有层流流动的固壁湍流流动的一方程模型，模型中选用的应变量是与涡粘性Tν相关的量ν~，除在粘性次层外，ν~与Tν是相等的。
上述两种一方程模型具有相似的特点，它们不象代数模型那样需要分为内层模型，外层模型或壁面模型，尾流模型，同时亦不需要沿法向网格寻找最大值，因此易于用到非结构网格中去；但由于在每个时间步长内，需要对整个流场求解一组偏微分方程，故比BL 和JK 模型更费机时 4） 两方程模式 2.1 k-ε两方程模式 2.1.1 标准k-ε两方程模式k-ε模式是最为人所知和应用最广泛的两方程涡粘性模式，为积分到壁面的不可压缩/可压缩湍流的两方程涡粘性模式，各种不同版本的k-ε模式常见于各种文献中，选择Jones-Launder 模式作为一般性介绍。
k-ε模式最初的发展是为了改善混合长(mixing-length)模式和避免复杂流动中湍流长度尺度(turbulent length scale)的代数表示(algebraic prescription)。
它求解两个湍流标量k 和ε的输运方程。
k 方程表示湍动能输运方程，ε方程表示湍动能的耗散率。
创作编号：GB8878185555334563BT9125XW创作者： 凤呜大王*该模式对较小压力梯度(relatively small pressure gradients)下的自由剪切流(free-shear-layer flows)具有较好的结果。