fluent教程第三章湍流模拟解析

Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,title style,热科学与能源工程系,D,*,湍流模型,计算流体与传热传质,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,fluent教程第三章湍流模拟解析,湍流：非定常，非周期性的三维速度脉动、,强化物质、动量和能量的输运,.,瞬时速度分解为平均速度和脉动速度,:,U,i,(t),U,i,+ u,i,(t),压力、温度、组分浓度值具有类似的脉动,什么是湍流,?,Time,U,i,(t),U,i,u,i,(t),平均量输运方程,雷诺平均就是把Navier-Stokes方程中的瞬时变量分解成平均量和脉动量两局部。对于速度，有 ：,其中， 和 分别是平均速度和脉动速度i=1,2,3,类似地，对于压力等其它标量，我们也有 ：,把上面的表达式代入瞬时的连续与动量方程，并取平均 去掉平均速度 上的横线，我们可以把连续与动量方程写成如下的笛卡儿坐标系下的张量形式,平均量输运方程续,上面两个方程称为雷诺平均的Navier-StokesRANS方程。,如果要求解该方程，必须模拟该项以封闭方程。,湍流模拟的方法,直接数值模拟DNS只适合低雷诺数流动。,求解雷诺平均的 Navier-Stokes (RANS) 方程:,其中 (雷诺应力),时间平均的湍流脉动用实验常数和流场平均速度信息来模拟.,大涡模拟Large Eddy Simulation，LES数值求解大涡，小涡用模型.,(,定常,不可压缩流动 有,/,无,体积力,),湍流输运模型,涡旋粘性系数模型,涡旋粘性系数模型是根据湍流应力和分子运动引起的粘性应力相似而提出来的,雷诺应力模型,雷诺应力模型那么是从根本方程出发，直接推出雷诺应力的方程，但在雷诺应力的方程中包含有更高阶的相关项，对这些更高阶的相关项再建立相应的模型。,湍流应力,湍流应力 在三维空间中，下标和分别可取为1，2和3，所以湍流应力有9个分量组成，是一个二阶张量，假设用矩阵形式表示可写为：,主对角线上的三个分量，和称为湍流正应力，其余的六个分量称为湍流切应力。三个湍流正应力之和是湍流脉动动能的两倍,湍流应力,假设以主对角线上的三个分量作为对称轴，那么对称的两个切应力分量是相等的，很显然，这是一个对称的二阶张量。很容易可以证明，在各向同性湍流中，湍流正应力的三个分量相等，即,判断湍流,外流,内流,自然对流,沿外表,绕流,其中,其中,其它因素，如自由流湍流度, 外表条件, 扰动 可能导致流动从层流向湍流转捩,L,=,x,D,D,h, etc.,湍流特点,额外应变率,流向曲率,测向别离,加速或减速,有旋,回流 (或别离),二次流,3D振荡流动,Transpiration (吹风/吸气),自由湍流,剪切层相互作用,需要作出选择,湍流模型,和,近壁处理,物理流体,精度要求,计算资源,计算时间要求,计算网格,Zero-Equation Models,One-Equation Models,Spalart-Allmaras,Two-Equation Models,Standard,k-,e,RNG,k-,e,Realizable,k-,e,Reynolds-Stress Model,Large-Eddy Simulation,Direct Numerical Simulation,湍流模型,Include,More,Physics,每次迭代,增加,计算时间,FLUENT 5,的湍流模型,基于雷诺平均,RANS的模型,Fluent 6,涡旋粘性系数模型,涡旋粘性系数模型是Boussinesq于1877年最早提出来的。他假定在近似平行的剪切流中，湍流应力张量中的切应力分量和平均速度在横向方向的梯度成正比，其比例系数称为涡旋粘性系数，以后把这个假定再推广到三维的流动。即湍流应力张量和平均流场应变率之间有关系：,仿照分子运动引起的粘性系数，我们可以假定涡旋粘性系数和湍流中含能涡旋的特征长度和速度尺度成正比，即：,而根据确定速度尺度V和长度尺度L方法的不同，又可以细分为各种不同的模型。而其中最简单，V和L确实定方法又是一致的模型应该是双方程模型。,涡旋粘性系数模型,在双方程模型中，假定特征速度V和湍流动能k的平方根成正比，特征长度由湍流动能k和另外一个辅助的量确定。比方在k-e模型中，辅助的量选为湍流动能的耗散率，根据量纲分析得长度尺度,，模型,涡旋粘性系数模型,辅助的量是湍流频率 ，,根据量纲分析得长度尺度,模型,推导,我们都假定流体不可压，即,Favre平均和雷诺平均方程完全一样。瞬时的动量方程减去平均的动量方程得脉动速度的方程,乘以,并求平均，利用湍流动能的定义,上式右端第二项可以重新整理成,：,这里湍流动能的方程，方程右端各项依次为输运项，产生项和耗散项,各项对,求导数，乘以,，并求平均，可得耗散率,的方程,目前采用的标准,k,e,模型方程为,如果用湍流频率,代替湍流动能耗散率,，频率,的模型方程为：,RANS 方程需要对雷诺应力进展封闭.,对于单方程模型，从修正的粘性系数输运方程简介求解湍流粘性系数。,对于双方程模型, 湍流粘性系数根据湍动能 (TKE)和耗散率 TKE来确定.,Transport equations for turbulent kinetic energy and dissipation rate are solved so that turbulent viscosity can be computed for RANS equations.,Reynolds Stress Terms in RANS-based Models,Turbulent,Kinetic Energy:,Dissipation Rate of,Turbulent Kinetic Energy:,湍流粘性系数,:,Boussinesq Hypothesis:,(isotropic stresses),湍流模型,0,方程模型,单方程模型,双方程模型,雷诺应力模型,大涡模拟,湍流粘性系数,:,求解 的输运方程,:,The additional variables are functions of the modified turbulent viscosity and velocity gradients.,单方程模型,: Spalart-Allmaras,Generation,Diffusion,Destruction,单方程模型,: Spalart-Allmaras,用于计算航空中考虑边界作用的高速流动问题,可以考虑边界层逆压梯度,叶轮机械流动,壁面网格可粗可细,网格细了，可以考虑低雷诺数流动，考虑边界层影响,.,网格粗时候，可以得到相对较好的流动结果,.,不能预测均匀各向同性湍流的耗散。并且，单方程模型没有考虑长度尺度的变化，这对一些流动尺度变换比较大的流动问题不太适合。比方，平板射流问题，从有壁面影响流动突然变化到自由剪切流，流场尺度变化明显。,应用举例,无粘流结果 单方程湍流模型结果,无粘流结果 单方程湍流模型结果,双方程模型,:,标准,k-,模型,湍动能方程,耗散率输运方程,实验常数,(equations written for steady, incompressible flow w/o body forces),Convection,Generation,Diffusion,Destruction,Destruction,Convection,Generation,Diffusion,双方程模型,:,标准,k-,模型,“Baseline model (Two-equation),最广泛用于工程流动与换热计算,结果比较透彻，优点、缺点明显,半经历性,k 方程经过严格推导得到, 方程通过物理推理得到,只对完全湍流适用(大雷诺数流动),对于多数的湍流流动问题有较为合理的结果,一般工程流动问题,换热问题,双方程模型,: Realizable k-,与标准,k-,模型的区别,:,湍流粘性系数,是变量， 其中,(A,0, A,s,和,U*,是速度梯度的函数,),雷诺正应力为正,;,Schwarz,不等式成立,新的耗散率,输运方程,:,Generation,Diffusion,Destruction,Buoyancy,与标准的 k-模型具有一样的湍动能输运方程,在如下流动中，比标准的双方程模型更具有优越性:,平板射流、圆射流,边界层有强的逆压力梯度，别离,有旋rotation,回流 recirculation,强曲率影响,双方程模型,: Realizable k-,双方程模型,: RNG,k-,湍动能方程,耗散率输运方程,Convection,Diffusion,Dissipation,Generation,其中,用,RNG,理论推导得到,(equations written for steady, incompressible flow w/o body forces),Additional term,related to mean strain,& turbulence quantities,Convection,Generation,Diffusion,Destruction,双方程模型:,RNG,k-,k- 两个方程都从瞬时NS方程出发，采用重整化群方法 (Renormalization Group Method) 严格推导得到.,与标准的 k- 方程有类似的形式、但:,在 方程中多出一项用于分析快速应变的流动问题,考虑了旋流对湍流的奉献,采用了分析 Prandtl数的分析公式,有效粘性系数公式不同,对如下流动有较好模拟结果:,高流向曲率与应变率流动,过渡态流动,壁面传热传质问题,雷诺应力模型,Reynolds Stress Model,产生项,压力应变项,耗散项,Turbulent,Diffusion,(modeled),(related to,e,),(modeled),(computed),(equations written for steady, incompressible flow w/o body forces),雷诺应力输运方程.,Pressure/velocity,fluctuations,Turbulent,transport,雷诺应力模型RSM，Reynolds Stress Model,RSM 封闭了雷诺平均的 Navier-Stokes方程，求解雷诺应力输运方程。,方程严格推导得到。瞬时量方程雷诺平均方程脉动量,需要求解耗散率输运方程，用以封闭方程组,无需涡粘性各向同性假设,雷诺应力输运方程有需要模拟量项.,RSM 有高精度模拟复杂湍流流动的潜质.,考虑了曲率, 旋流, 旋转和高应变率影响,气旋流动, 有旋燃烧室内流动问题,旋转流动通道, 二次流,大涡模拟LES，Large Eddy Simulation,大涡:,决定了动量、能量和其它标量场的特性、对平均流动场起主导作用.,各向异性, 可能是湍流构造历史影响，也许是流动场影响，大涡受到流畅、边界调节和流动参数影响。.,小涡:,趋于各向同性，受流动影响较小,比大涡更易于模拟.,LES 直接结算 (求解) 大涡 ，小涡用模型来模拟 (Subgrid-Scale Modeling).,计算量较大,网格点, NLES ,非定常计算,RANS 湍流模型比较,近壁处理,靠近壁面区域、多数情况下 k- 和RSM 湍流模型的计算结果都不够准确.,需要近壁处理.,标准壁面函数Standard wall functions,非平衡壁面函数Nonequilibrium wall functions,双层区模型Two-layer zonal model V5,增强的壁面处理Enhanced wall treatment，V6,Boundary layer structure,标准壁面函数Standard Wall Functions,平均速度,温度,其中,where,and,P,is a function of the fluid,and turbulent Prandtl numbers.,热边界层厚度,非平衡壁面函数,Nonequilibrium Wall Functions,Log-law is sensitized to pressure gradient for better prediction of adverse pressure gradient flows and separation.,Relaxed local equilibrium assumptions for TKE in wall-neighboring cells.,Thermal law-of-wall unchanged,where,Two-Layer Zonal Model,应用于低雷诺数流动或复杂流动中的近壁流动现象模拟。,用点到壁面举例y为特征长度求当地雷诺数，区分区域层,对于高雷诺数流动，湍流核心区域用 k-e 模型来模拟.,双层区模型中，在粘性影响的区域只求解k 的输运方程., 通过计算得到与特征长度相关.,分区是动态过程，并根据计算结果调节分区区域属性.,近壁处理方法的比较,计算网格划分本卷须知,Wall Function Approach,Two-Layer Zonal Model Approach,First grid point in log-law region,At least ten points in the BL.,Better to use stretched quad/hex cells for economy.,First grid point at,y,+, 1.,At least ten grid points within buffer &,sublayers,.,Better to use stretched quad/hex cells for economy.,估计第一个网格点的位置,根据经历与实验公式，估计外表摩擦系数skin friction coefficient:,平板-,管流-,计算摩擦速度:,反过来计算第一网格点到壁面的距离:,壁面函数 Two-layer model,用post-processing 检查近壁网格的空间分辨率,y,1,= 50,/u,y,1,=,/ u,边界条件设定,给出湍流 inlets & outlets (potential backflow)参数,k- 模型需要 k 和 ,Reynolds stress 模型需要 Rij 和 ,根据不同输入选择，给出自己熟悉或方便给出的量,Turbulence intensity 和 length scale 湍流强度与长度尺度,长度尺度与包含主要能量的大涡旋构造尺度相关.,对于边界层流动: l d99,流体流过栅板/孔板:l opening size,Turbulence intensity and hydraulic diameter湍流强度与水力学直径,适合通道与管内流动,Turbulence intensity and turbulent viscosity ratio湍流强度与粘性比,外流:,直接给出 k 和 (用户自定义函数，可以给出分布).,湍流模型用户界面,Define,Models,Viscous.,湍流模型选项，,Turbulence Model options,近壁处理，,Near Wall Treatments,无粘，层流，湍流,Inviscid, Laminar, or Turbulent,其余湍流选项，,Additional Turbulence options,Example: Channel Flow with Conjugate Heat Transfer,adiabatic wall,cold air,V = 50 fpm,T = 0 F,constant temperature wall T = 100 F,insulation,1 ft,1 ft,10 ft,P,Predict the temperature at point P in the solid insulation,湍流模拟,检查是否是湍流 ReDh= 5,980,低雷诺数下的开展湍流与壁面边界层会导致压力梯度，因此选择： RNG k- 模型，用nonequilibrium wall functions处理近壁流动.,网格划分,简单几何形状 quadrilateral cells,估计在水平壁面的垂直方向上梯度比较大，近壁第一个网格要落在对数区 log-law region.,流向网格渐大，用于捕捉边界层增长过程.,根据求解结果，调节网格，用于提高求解温度边界层温度梯度,速度等值线,温度等值线,上下边界层加速了核心区域的流体流动,动量 & 热边界层预测结果,温度边界层清晰可见,P,举例: 圆柱绕流,wall,wall,1 ft,2 ft,2 ft,air,V = 4 fps,Compute drag coefficient of the cylinder,5 ft,14.5 ft,检查是否湍流 ReD = 24,600,钝体绕流尾迹中，可以看到非定常的涡旋脱落现象。侧下游的别离点计算和靠近壁面的近壁影响，所以需要考虑用, RNG k- 湍流模型， 2-layer zonal model处理边界.,网格划分,简单几何形状 & BLs quadrilateral cells.,边界层网格， 2-layer model fine mesh near surface & first cell at y+ = 1.,湍流模拟步骤,圆柱绕流的网格,湍流模拟，涡旋脱落Vortex Shedding,有效粘性系数等值线图,eff,=,+,t,C,D,其中,不同边界结果处理结果比较,标准壁面函数,非平衡壁面函数,双层区壁面模型,小结,:,湍流模拟,成功的湍流模拟需要对实际过程作出如下的正确判断:,流体物理特性,计算机资源,工程要求,精度,时间,可用的湍流模型与近壁处理方法,可以先用 k- 得到初步结果，不满意改用RNG 或Realizable k-.,对于高旋流数流动，选择 RSM模型.,除非是求解低雷诺数流动，或者关心复杂流动的近壁流体特性，否那么壁面处理选择壁面函数.,