搜索选用合适的湍流模型
2017-03-08 by:CAE仿真在线 来源:互联网
海森堡说“当我遇到上帝的时候,我会问他两个问题:为什么会有相对论?为什么会有湍流?我想上帝可能只能回答第一个问题。“虽然这事儿目前不太好考证,但从一个侧面也反映出湍流的复杂性。
为了解决工程中的湍流问题,人们发展了非常多的湍流模型,这些模型或多或少都带有经验参数,因此通用性非常差,在实际应用过程中通常需要根据自己的实际问题选择最为合适的湍流模型。本文对目前CFD软件中常见的湍流模型进行总结,总结各种模型的适用性及局限性。
1Wall Treatment Models
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利用无量纲壁面距离(Y+)或者length-Velocities(L-Vel)计算湍流粘度
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求解所有的流动
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非常稳健
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计算开销非常小
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内部流动,特别是电子散热问题
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计算精度较低
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关于Wall Treatment Model在各类CFD软件中的存在情况,如下表所示
关于RANS模型:
About RANS Models
Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)是一个湍流模型大家族,包含了很多的子模型
这些模型的特性是在NS方程基础上添加了一个额外的粘度项
这些模型的区别在于对于额外的粘度项的处理方式不同
这些模型都包含一个通用项:湍动能k,单位质量湍流脉动的动能
2Spalart-Allmaras模型
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一方程湍流模型
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没有壁面函数,增加了一个新的变量SA粘度
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对内存要求不高
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具有非常好的收敛性
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在精度与简化之间做出了非常好的折中
主要应用于空气动力学流动问题。如机翼表面的跨声速流动
不适合求解剪切流与分离流
SA模型在一些CFD软件中的存在如表所示
3k-epsilon模型
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基于湍动能k及湍流耗散率epsilon
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使用壁面函数,因此黏性子层及过渡层无法仿真
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非常流行的两方程模型
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可靠、收敛性好、内存需求低
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有很多的变体模型,如realizable k-epsilon,RNG k-epsilon等
适用于无分离、可压/不可压流动问题,特别适用于复杂几何的外部流动问题
对于无滑移壁面、逆压梯度、强曲率流动以及射流流动不精确。耗散率不容易计算。
一些CFD软件中的k-e湍流模型如表所示。
4k-w模型
1.基于k及w,w要比e更容易求解
2.内存消耗与k-e模型相当
3.通常建议使用SST k-w模型,而不用标准k-w
适用于内流场,曲率流、分离流及射流
与k-e模型相比,收敛更困难,且计算结果对初始条件很敏感
一些常用的CFD软件中的k-w模型:
5Reynolds Stress Transport模型
1.试图直接模拟RANS方程的流动项
2.基于6个用于湍流应力的方程
3.能够很好的反应流动行为
适用于评价新的现象及复杂的流动(如旋风分离及旋转)
非常消耗计算资源,计算结果对初始条件很敏感,需要高质量的计算网格。
CFD软件中的雷诺应力模型:
6转捩模型
1.模型用于模拟流动从层流转变到湍流的过程
2.转捩不连续
适用于流动从层流转变到湍流的情况
边界条件会对计算造成困难
一些CFD软件中的转捩模型:
14LES模型
1.大涡模拟基于自相似理论
2.使用sub-grid-scale模拟计算小涡,而大涡基于几何计算
将大涡与小涡的速度场分开
热疲劳、振动以及福利流动(船舶设计)
近壁面区域计算困难
一些CFD软件中的LES模型
8DES,DDES,IDDES模型
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分离涡模拟(DES)在近壁面采用LES,在湍流核心区采用RANS
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Delayed DES(DDES)模拟可以阻止模型应力损耗以及网格导致的分离
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Improve DDES与DDES模型一样解决对数区不匹配的问题
适用于外流空气动力学,气动声学,壁面湍流等
程序设计麻烦
一些CFD软件中的DES模型
9直接数值模拟DNS
1.直接采用数值方法求解NS方程,不采用任何湍流模型
2.湍流的时间及空间尺度在网格中进行求解
机理研究以及工程应用中湍流模型开发
对计算资源要求非常高。目前仅用于低雷诺数流动
10其他模型:SAS模型
1.不稳定流动区域计算类似于LES
2.稳态区域计算类似于RANS
分离区域、航空航天
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