各种湍流模型在FLUENT中的应用.pdf

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1、万方数据摘要当前大多数工程的湍流流体问题都是应用已有的湍流理论模型得以解决的．FLUENT是专业流体软件中的一种。现已得到广泛应用。此文介绍了湍流理论模式的发展和各种模型的适用条件，对各种湍流模型在FLUENT中的计算成效进精-i分板：关键词湍流模型FLUENT大多数工程中的流体力学问题都应当用湍流理论进行处理。国内外都在研究如何用湍流理论解决工程中的湍流问题。研究者从不同角度对湍流机理进行了研究．尽管关于湍流的一些概念和机理都很清楚．但由于所解的偏微分方程组过于庞大、复杂。所以距解决工程中实际问题还有很大差距。工程上最常用的还是采用各种湍流模型．尤其是近代．随着计算机技术和

2、流体力学的发展．各种应用软件应运而生．FLUENT作为其中一种已被成功地用来解决一些工程湍流问题。1．湍流理论模式的发展湍流的模式理论在解决工程实际问题中起着重要作用。模式理论把流体微团的瞬态量看作时间平均值和脉动值的叠加．从而把瞬时的N—S方程变换为反映流场平均运动尺度的雷诺方程。再引入一系列模型假设．建立一组描写湍流平均量的封闭方程组．对时均后的雷诺方程中出现的雷诺应力进行的模拟中．形成了众多湍流模型。Boussinesq一1872年提出湍动黏性概念．是雷诺平均法中模拟雷诺应力最早的假设：之后。Prantl依照分子运动论中平均自由长度概念。提出湍流涡团混合长概念：KaNn

3、snyon则依据相似理论提出了卡门混合长度模型。但对于处理有分离现象和回流现象的流动等复杂流动时，这些模型并不适用。20世纪40年代．Kolmogorov和Prantl放弃了寻找湍动黏性系数和时均速度梯度之间的直接关系的方法．而是通过求解微分方程确定湍流黏性系数．以此来弥补混合长假设的局限性．这样产生了单方程的湍流模型。但是．在单方程模型巾要确定长度比尺．仍然是不易解决的问题．使得目前单方程湍流模型仍局限用于剪力层流动计算。湍流模型发展的实际需要．使得学者们转而寻求更普遍、更精细的方法来确定长度比尺的分布．许多学者应用不同的尺度结合来发展双方程模型。1974年。Spaldin

4、g和Lannder归纳了不同学者提出的反映湍流尺度的参数．通过微分方程建立了双方程模型K—e来求解湍动能K和耗散率s的输运方程．并建立了它们与湍流黏性之间的关系。标准K_8模型方法稳定、简单、经济，在较大的工程范围内应用具有足够的精度．目前K一6双方程模型可以成功地应用于无浮力平面射流、管流、喷管内流动、无旋及弱旋的二维及三维回流流动。但对于低Re数的流动，大曲率和强旋流等流动应用的标准K—s模型。其预测效果不理想。造成标准K一￡模型失效的主要原因是涡黏性各向同性假设。为此．YakhotV和PrszagS在1986年依据模糊数学理论．考虑了高应变率或大曲率过流面等因素的影响，

5、修正了K一8方程．同时用公式率定代替标准K一8模型收稿日期：2008-07-18作者简介：张志伟，男，汉族，河北省承德水文水资源勘测局．助理工程师。刘建军，男，满族，河北省桃林口水库管理局．工程师。25参数的实验率定．建立了RNGK一8模型．提高了模型在旋流和大曲率情况下的计算精度。另外。ShihT等人在1995年采用新的模化方法获得耗散率8的输运方程．采用新的涡黏公式使雷诺主应力和切应力满足可实现性条件．建立了RealizableK一8模型．应用于较高主流剪切率和较大曲率的流动．得到较好的结果。1945年周培源先生首次导出一般湍流的雷诺应力准确的输运方程．1951年Rott

6、a发展了周培源先生的工作．建立了完整的雷诺应力模式(RSM)。受限于计算手段．他们所建立的复杂的方程组当时没有实际求解的可能，后来，Ro-di等人提出了代数应力模型．将雷诺应力输运的微分方程简化为代数方程．再与K方程和8方程联立求解．这样大大减少了计算时间。但类似于K一8模型，在RSM模型中同样存在模化项．特别是对耗散率和压力一应变项的模化的准确度决定着RSM模型的精度．尽管RSM需要大量的计算时间．但不一定就能得到比求解K-8模型更好的结果。2．各种漓流模型的适用条件工程湍流理论中的多种模型各有其优缺点和适用条件。鉴于模型的不同特点和工程流体问题的复杂性与多样性．必须对每个

7、模型的适用条件了然于胸，以期达到最好的模拟效果。万方数据2．1Sparlart模型它是相对简单的一个方程模型．适用于墙壁约束的流动．对低雷诺数模型十分有效．在方程中无需计算跟剪切力厚度相关的长度尺度。但是此模型不能预测均匀衰退和各向同性湍流．对长度不敏感。缺少辅助模型(起燃起爆、浮力作用)。2．2标准的K一8模型该模型适用范围广、经济、有合理的精度．需要解两个变量．即速度和长度尺度．但这是个半经验公式．遇到强流线弯曲、漩涡、旋转流和逆压梯度较大的工程流体问题时所得到的计算结果精度较低．2．3RNGK--