湍流的数值模拟方法探究

层流和湍流是流体运动的两种基本形式。1883年，雷诺揭示了黏性流动这两种不同本质的流动形态。自此，世界各国学者对湍流进行了持续研究，取得不少进展，解决了很多工程领域的难题。但由于湍流运动极其复杂，其基本机理至今未能完全掌握，而且不能准确地定义并定量地给出湍流的运动特性。目前，一般将湍流的主要特征归结为随机性、扩散性、有涡性和耗散性。

湍流出现在速度变动的地方，这种波动引起流体介质之间动量、能量和浓度的变化，而且引起了数量的波动。因此，湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中，流体的各种物理参数，如速度、压力和温度等都随时间与空间发生随机变化。从物理结构上说，可以把湍流看成是由各种不同尺寸的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡旋主要由流动的边界条件决定，其尺寸可与流场的大小相比拟，是引起低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要由黏性力决定，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。大尺度的涡旋破裂后形成小尺度的涡旋。较小尺度的涡旋破裂后形成更小尺度的涡旋。因而，在充分发展的紊流区域内，流体涡旋的尺寸可在相当宽的范围内连续变化。大尺度的涡旋不断从主流获得能量，通过涡旋间的相互作用，能量逐渐向小尺度的涡旋传递。最后，由于流体黏性的作用，小尺度的涡旋不断消失，机械能就转化（或称耗散）为流体的热能。同时，由于边界的作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动。由于湍流是小尺度、高频率的，所以在实际工程计算中直接模拟对计算机的要求会很高。实际上，瞬时控制方程可能在时间上和空间上是均匀的，或者可以人为地改变尺度，修改后的方程耗费较少的计算机资源。但是，修改后的方程可能包含有我们不清楚的变量，湍流模型需要用已知变量来确定这些变量，目前能够用于工程计算的湍流数值计算方法是雷诺平均法，即只计算大尺度平均流动，所有湍流脉动对平均流动的作用用湍流模式理论加以封闭，使计算量大为减少。(www.xing528.com)

湍流的数值模拟方法主要有以下3种：