第8章 湍流流动与换热的数值模拟

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正比于脉动尺度
l
、反比于脉动速度
k 1/2
对推导过程中得出的一些复杂项做简化处理时用此定义。
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8.4.2 k 控制方程
36
8.4.2 k 控制方程
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8.4.3 k 两方程模型的通用控制方程
模型中的系数与常数
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8.4.3 k 两方程模型的通用控制方程
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8.4.4 几点说明
8.1.2 湍流的特征
2.湍流的基本特征
3)三维涡量脉动:在描述湍流的形成和运动时,涡动力学起 着关键的作用。能量从大涡向小涡传递的过程,主要是通过 涡管的拉伸来进行的。 4)扩散性:在湍流中,动量、质量和热交换的速率比层流扩 散(分子扩散)的速率大几个数量级,这导致了湍流的许多 重要应用。 5)能量的强输运性:湍流中能量不断地由大涡向小涡逐级输 运,通过与次级尺度涡的相互作用,不断把动能传递给小尺 度的涡。 6)耗散性:在最小尺度涡的脉动中,能量不断被粘性转换为 热,从而不会进一步出现更小乃至无限小尺度的运动。为补 偿粘性耗散,湍流需要不断补充能量,否则将很快衰减。
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8.1.2 湍流的特征
3.湍流的本质特征
流体在作湍流运动时,除了主流方向的运动外,流体中 的微团还作不规则的运动。因此,当流体微团从一个位置 脉动到另一个位置时将产生两个作用: (1)不同流速层之间有附加的动量交换,产生了附加的切 应力,称为湍流切应力; (2)不同温度层之间有附加的热量交换,产生了附加的热 流密度,称为湍流热流密度;
这里 lm 称为混合长度,确定合适的混合长度是零方程模型 的关键。
27
8.3.1 零方程模型
2.常用的混合长度计算式
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8.3.1 零方程模型
29
8.3.1 零方程模型
3.零方程模型应用范围
(1) 边界层类型流动与换热(机翼上气流脱离前部分);
(2) 平直通道内的流动与换热;
(3) 回流较弱接近于边界层类型流动与换热。 零方程模型的缺点: (1) 在通道中心处速度梯度为零,但实际 t 不为零; (2) 不能考虑来流湍流情况的影响; (3) 不能考虑到湍流本身特性的影响。
(2)小尺度的涡旋主要是由粘性力所决定,其尺寸可
能只有流场尺度的千分之一的量级,是引起高频脉动的 原因。
4
8.1.1 现阶段对湍流的认识
3.Navier-Stokes方程对湍流的瞬时运动仍然适用;
4.上世纪后半叶曾经争论Navier-Stokes方程是否适用于
湍流,直接模拟的成功给予了肯定的回答;
f f
t t
2 0 2 xi
是相应的脉动值
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, f
是两个瞬时值,
, f
8.2 不可压缩流体对流换热湍流时均方程
8.2.1 时均形式的控制方程 8.2.2 确定附加项的两类方法 8.2.3 采用湍流黏性的控制方程
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8.2.1 时均形式的控制方程
������������������ 个节点,用8× ������������������ 个时间
步长做统计平均。
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8.1.3 湍流数值模拟方法分类
2.大涡模拟
基本思想:湍流的脉动主要由大尺度涡所造成,各向异性
而且随情形而异;小尺度涡的主要作用是耗散能量,几乎各向
同性。用N-S方程直接计算大尺度涡,而小尺度涡的作用则通 过引入简化的模型来考虑。 LES所需的计算机资源虽仍然较大,但比 DNS则有数量级的 下降,逐渐成为研究的热点,并初步得到工程应用。 对于上述同样一个问题,采用LES所需网格可下降到
(1)2D问题脉动动能产生率G展开式
三维问题展开式有18项。
(2)上述模型称为标准
k
模型,适用于湍流已经
旺盛发展区域,又称为高Reynolds数
k
模型。
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8.5 壁面函数法
8.5.1 湍流计算时壁面附近布置节点的两种方法
8.5.2 壁面函数法的基本思想 8.5.3 标准 k 模型中 k , 边界条件的处理
3.湍流脉动动能控制方程
4.湍流脉动动能控制方程边界条件:采用壁面函数法。
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8.4 两方程模型
8.4.1 与 l 有关的第二个变量
8.4.2 k 控制方程 8.4.3 k 两方程模型的通用控制方程
8.4.4 几点说明
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8.4.1 与
l 有关的第二个变量
1.在发展过程中引入了多个与脉动尺度有关的物理量
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8.5.2 壁面函数法的基本思想
1.假定在所研究问题中,壁面附近黏性支层以外无 量纲速度与温度的分布服从对数分布律。
(1) 流体力学中的对数分布律 对管道内旺盛湍流区,壁面附近速度分布为:
切应力速度
(2) 湍流模型中采用的速度对数分布律
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8.5.2 壁面函数法的基本思想
(3) 温度对数分布律:仿u+速度,定义
确定湍流黏性系数所需微分方程的个数成为湍流工程计算 模型的名称。 当该标量为流体温度时,对应的层流(分子)扩散系数为:
因此:采用湍流黏性系数模型时,计算的任务在于确定
23
8.2.3 采用湍流黏性的控制方程
1.控制方程-以下时均量均略去时均符号:
2.采用湍流黏性系数时,与层流控制方程的差别在于:
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• 理论上来说,所有的湍流流动能够由数值解出所有的N-S方程来模拟 • 解出尺寸频谱,不需要任何模型 • 花费太高! 对工程流动不实用
大涡模拟 (LES)
• 解算空间平均 N-S 方程,大涡可以直接解出, 但是涡比模拟过的网格要小 • 没有 DNS消耗那么大,但是对于大多数的实际应用来说占用计算资源和效果 还是太大了
128x80x80=819200。
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8.1.3 湍流数值模拟方法分类
3. Reynolds时均方程法
将瞬时量表示成时均值与脉动值之和,对 非稳态N-S方程进行时间平均,通过模型将时 均过程中产生的各种脉动量的时均值表示成时
均值的各类函数形式。
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8.1.3 湍流数值模拟方法分类
直接数值模拟(DNS)
它可看作是单位质量流体脉动动能耗散率,CD 为无量纲
常数(耗散率的模拟定义)。
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8.4.1 与
l 有关的第二个变量
2.耗散率的两种定义
(1) 严格的定义 它代表各向同性小尺度涡耗散的速率,是推导微分方程的出发点;
(2) 模拟的定义 模拟定义来源的理解:对单位体积流体从较大的涡向较
小的涡传递能量的速率正比于 k 而反比于传递时间,后者
8.2.3 采用湍流黏性的控制方程
3.湍流Prandtl数
在不同形式的流动中其值在一定范围内变化,一般取
为常数,于是湍流对流换热的研究归结为确定
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8.3 零方程模型与一方程模型
8.3.1 零方程模型
8.3.2 一方程模型
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8.3.1 零方程模型
1.零方程模型的湍流附加应力计算式
所谓零方程模型是指确定湍流黏性系数不需要微方程 的模型。该类模型中将湍流附加应力表示为:
湍流的本质特征
8
8.1.3 湍流数值模拟方法分类
基于连续介质假设的、Euler描述方法的湍流数值模拟方法 分为三大类:直接模拟、大涡模拟与Reynolds时均方程模拟。
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பைடு நூலகம்
8.1.3 湍流数值模拟方法分类
1.直接模拟
需要采用很小的时间步长和空间步长才能将不同尺度的 涡的演化过程模拟出来,因此对计算机资源要求很高,一般 需要超级计算机。 对于L=6.4H的方形截面 通道内充分发展混合对流湍 流,在Re=6400,Gr= ������������������ ~������������������ 的情形,直接模拟 采用了256x128x128=4.194×
程中又引进了更高阶的附加量;需要进一步导出确定更高 阶附加量的控制方程,但是最终必须终止在近似的模型上; 如此处理已经导出了多达20余个偏微分方程的模型。 其中对两个脉动量乘积的时均值导出微分方程,对三
个脉动量乘积时均值建立模型的方法称为二阶矩模型,已
经得到工程应用,清华大学周力行教授研究组贡献甚多。
8.5.4 壁面函数法实施注意事项
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8.5.1 湍流计算时壁面附近布置节点的两种方法
1.在黏性支层中布置足够多的节点(>10个)
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8.5.1 湍流计算时壁面附近布置节点的两种方法
2.将第一个内节点布置到黏性支层之外
此时需对壁面 附近流体速度的分
布作出假设,在高
Reynolds数k-ε两
方程模型中采用。
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8.2.2 确定附加项的两类方法
2.湍流黏性系数法
将两个脉动速度乘积的时均值表示成“湍流黏性系数”。 (1)湍流黏性系数定义 1877年Boussinesq 模拟层流的本构方程, 引入: 湍流脉动造成的应力:
脉动速度造成的压力:
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8.2.2 确定附加项的两类方法
(2) 其它湍流脉动附加通量的定义
5.分岔,混沌,奇怪吸引子以及湍流被认为是 20世纪四
大非线性物理现象。
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8.1.2 湍流的特征
1.湍流的基本特征
1)随机性(不规则性):湍流过程的状态变量都是随时 间脉动,这就说明我们用数值计算的方法来解决的问题都 是非定常的。 2)特征尺度的多重性: 湍流过程的最小空间尺度是 η ,说明在最小空间尺度 以内的过程变量可以看成是均匀的,而在大于这个尺度的 空间内过程变量是有分布的。因此,它要求我们在用数值 计算模拟湍流过程时,空间的网格尺寸不能大于湍流过程 的最小空间尺度。 湍流过程的最小时间尺度是 u , ������′ 是脉动速度均方根, 也就是说,在湍流过程中,比最小时间尺度小的时间段内 发生的变化是可以不记的,即非定常过程进行数值计算时 的时间步长不能大于该最小时间尺度。 6
雷诺时均方程模型(RANS)
• 解总体均值(或者时间均值)纳维-斯托克斯方程 • 所有湍流长度规格在RANS中模拟 • 在工业流动计算中使用最为广泛
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8.1.4 Reynolds时均值的定义及其性质
1.时均值的定义
在雷诺平均法中,任一变量的时间平均值定义为:
为时间步长,相对于湍流脉动周期足够大,相对于 时均量的变化周期则足够小。
时间平均值随时间而异
时间平均值不随时间而异
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8.1.4 Reynolds时均值的定义及其性质
2.运算关系式
=0
f f
f f f
2 2 2 2 xi xi
=
f0
xi xi
0 xi
+ =
1.连续性方程
速度的时均值与脉动值的时均值分别满足连续性方程。
2.动量方程
以x方向为例:
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8.2.1 时均形式的控制方程
18
8.2.1 时均形式的控制方程
写成直角坐标中张量的形式:
3.其他标量
4.关于时均值的讨论
(1) 一次项在时均过程中保持形式不变,二次项产生了
脉动值乘积的时均项,代表了由脉动而产生的附加通量 的转移;
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8.3.2 一方程模型
1.湍流脉动动能作为计算变量
在现象上湍流最大的特点是脉动,脉动动能是表征脉 动大小的最合适的物理量,要考虑湍流本身特性的影响,
须将k作为求解变量。
2.Prandtl-Kolmogorov公式
将湍流脉动造成黏性过程与分子扩散形成分子黏性的
过程相比拟:
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8.3.2 一方程模型
8.1.2 湍流的特征 8.1.3 湍流数值模拟方法分类
8.1.4 Reynolds时均值的定义及其性质
3
8.1.1 现阶段对湍流的认识
1.湍流是高度复杂的非稳态流动,其中的各物理量都随 时间与空间做随机的变化; 2.湍流流场可以看成是由各种不同尺度的涡叠加而成; (1)大尺度的涡旋主要由流动的边界条件所决定,其 尺寸可以与流场的大小相比拟,是引起低频脉动的原因;
数值传热学(Numerical Heat Transfer)
第8章 湍流流动与 换热的数值模拟
1
湍流流动与换热的数值模拟
主要内容 8.1 湍流现象概述
8.2 不可压缩流体对流换热湍流时均方程
8.3 零方程模型与一方程模型 8.4 两方程模型
8.5 壁面函数法
2
8.1 湍流现象概述 8.1.1 现阶段对湍流的认识
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8.2.1 时均形式的控制方程
(2) 方程组不封闭:对二维问题有5个方程,14个变量: 5个时均量- 9个脉动值乘积的时均项- 要使上述方程组封闭必须补充用以确定这 9个附加
量的关系式,即湍流模型又称封闭模型。
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8.2.2 确定附加项的两类方法
1.Reynolds应力方程法
对9个附加量分别导出确定它们的控制方程;在导出过
(4) 湍流模型中的速度与温度对数分布律
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8.5.2 壁面函数法的基本思想
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