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FLUENT的湍流模型优化方案

时间:2023-06-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:FLUENT软件中的湍流模型主要包括:混合长度模型零方程模型,模拟简单的流动,计算量小。V2F湍流模型V2F湍流模型与标准k-ω模型的性能类似,但结合了近壁湍流各向同性和非局部压力应变效应。截至目前,没有一个适用于所有流动的高级模型,用户应根据实际情况选择湍流模型。湍流模型的选择一般应按下述流程进行:1)计算特征雷诺数,判断是否是湍流。以钝体平板流为例,用4种不同的湍流模型模拟了绕过钝体平板的流动。

FLUENT的湍流模型优化方案

FLUENT软件中的湍流模型主要包括:

(1)混合长度模型

零方程模型,模拟简单的流动,计算量小。

(2)Spalart-Allmaras模型

直接求解修正的湍流粘性的一个方程模型,针对大网格的低成本湍流模型,适用于模拟气动和封闭腔内流动,可以选择包括湍动能产生项的应变率,以提高对涡流的模拟精度(如叶轮机械、车体、机身和导弹等)。

(3)标准k-ε模型

求解kε的基本两方程模型,模型系数通过实验拟合得到,适合完全湍流情况的初始迭代、设计选型和参数研究,鲁棒性最好,可以处理粘性加热、浮力和压缩性等物理现象。

(4)RNG k-ε模型

k-ε方程中的常数是通过重正规化群理论分析得到的,而不是通过实验得到的,修正了耗散率方程,适用于设计快速应变、中等涡、局部转捩的复杂剪切流动(如边界层分离、室内通风、块状分离和涡的后台阶分离等)。

(5)Realizable k-ε模型

与RNG k-ε模型性能相似,但计算精度更优。耗散率(ε)方程由旋涡脉动的均方差导出,可精确预测平板和圆柱射流的传播,对包括旋转、有大反压力梯度的边界层、分离和回流等现象有更好的预测结果。

(6)标准k-ω模型

标准k-ω模型包含压缩性效应,转捩流动和剪切流修正等子模型,在模拟近壁面边界层、自由剪切和低雷诺数流动时性能更好,可以用于模拟转捩和逆压梯度下的边界层分离(如高速列车外流模拟和旋转力学性能计算等)。

(7)SST k-ω模型

SST k-ω模型(Shear Stress Transport k-ω模型,SSTKW模型)在近壁面处使用k-ω模型,而在边界层外采用k-ε模型,包含了修正的湍流粘性公式,考虑了湍流剪切应力的效应。SST一般能更精确地模拟反压力梯度引起的分离点和分离区大小。与标准k-ω模型的性能类似,对于壁面距离的依赖,使得它不适合于模拟自由剪切流动。

(8)雷诺应力模型

雷诺应力模型(RSM模型)是最好的基于雷诺平均的湍流模型,它通过平均速度脉动的乘积,导出6个独立的雷诺应力分量输运方程,避免各向同性涡黏性假设,需要更多的CPU时间和内存消耗,适用于模拟强旋转流和涡的高度各向异性流、复杂三维流动。由于方程间的强耦合性,所以收敛稍差。

(9)大涡模拟

大涡模拟用于模拟瞬态的大尺度涡,通常和F-W-H噪声模型联合使用。(www.xing528.com)

(10)分离涡模拟

分离涡模拟改善了大涡模拟的近壁处理,更为实用,可以模拟大雷诺数的气体流动。

(11)V2F湍流模型

V2F湍流模型与标准k-ω模型的性能类似,但结合了近壁湍流各向同性和非局部压力应变效应。

截至目前,没有一个适用于所有流动的高级模型,用户应根据实际情况选择湍流模型。选择湍流模型时一般应考虑以下因素:流动现象;计算机资源;项目要求;计算精度;计算时间;近壁面处理的选择。

湍流模型的选择一般应按下述流程进行:

1)计算特征雷诺数,判断是否是湍流。

2)如果存在转捩,考虑使用转捩模型。

3)划分网格前,预估近壁面的y+。

4)除了低雷诺数流动和复杂近壁面现象(非平衡边界层)外,用壁面函数方法确定如何准备网格以RKE(Realizable k-ε)开始,如果需要,改用S-A,RNG,SKW,SST或者V2F。

5)对高度旋涡流动、三维、旋转流动,使用RSM。

以钝体平板流为例,用4种不同的湍流模型模拟了绕过钝体平板的流动。平板绕流的计算模型如图2-65所示,共采用8700个四边形网格,在回流再附着区和前缘附近加密,并进行了非平衡边界层处理。

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图2-65 平板绕流的计算模型

湍流动能强度计算结果对比如图2-66所示。可以看出,相对于标准k-ε模型,其他3种方法的湍流动能强度(Turbulent Kinetic Energy)计算结果较接近,也较准确。

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图2-66 湍流动能强度计算结果对比

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