搜索選用合適的湍流模型
2017-03-08 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
海森堡說“當我遇到上帝的時候,我會問他兩個問題:為什么會有相對論?為什么會有湍流?我想上帝可能只能回答第一個問題。“雖然這事兒目前不太好考證,但從一個側(cè)面也反映出湍流的復(fù)雜性。
為了解決工程中的湍流問題,人們發(fā)展了非常多的湍流模型,這些模型或多或少都帶有經(jīng)驗參數(shù),因此通用性非常差,在實際應(yīng)用過程中通常需要根據(jù)自己的實際問題選擇最為合適的湍流模型。本文對目前CFD軟件中常見的湍流模型進行總結(jié),總結(jié)各種模型的適用性及局限性。
1Wall Treatment Models
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利用無量綱壁面距離(Y+)或者length-Velocities(L-Vel)計算湍流粘度
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求解所有的流動
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非常穩(wěn)健
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計算開銷非常小
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內(nèi)部流動,特別是電子散熱問題
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計算精度較低
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關(guān)于Wall Treatment Model在各類CFD軟件中的存在情況,如下表所示
關(guān)于RANS模型:
About RANS Models
Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)是一個湍流模型大家族,包含了很多的子模型
這些模型的特性是在NS方程基礎(chǔ)上添加了一個額外的粘度項
這些模型的區(qū)別在于對于額外的粘度項的處理方式不同
這些模型都包含一個通用項:湍動能k,單位質(zhì)量湍流脈動的動能
2Spalart-Allmaras模型
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一方程湍流模型
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沒有壁面函數(shù),增加了一個新的變量SA粘度
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對內(nèi)存要求不高
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具有非常好的收斂性
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在精度與簡化之間做出了非常好的折中
主要應(yīng)用于空氣動力學流動問題。如機翼表面的跨聲速流動
不適合求解剪切流與分離流
SA模型在一些CFD軟件中的存在如表所示
3k-epsilon模型
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基于湍動能k及湍流耗散率epsilon
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使用壁面函數(shù),因此黏性子層及過渡層無法仿真
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非常流行的兩方程模型
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可靠、收斂性好、內(nèi)存需求低
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有很多的變體模型,如realizable k-epsilon,RNG k-epsilon等
適用于無分離、可壓/不可壓流動問題,特別適用于復(fù)雜幾何的外部流動問題
對于無滑移壁面、逆壓梯度、強曲率流動以及射流流動不精確。耗散率不容易計算。
一些CFD軟件中的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.內(nèi)存消耗與k-e模型相當
3.通常建議使用SST k-w模型,而不用標準k-w
適用于內(nèi)流場,曲率流、分離流及射流
與k-e模型相比,收斂更困難,且計算結(jié)果對初始條件很敏感
一些常用的CFD軟件中的k-w模型:
5Reynolds Stress Transport模型
1.試圖直接模擬RANS方程的流動項
2.基于6個用于湍流應(yīng)力的方程
3.能夠很好的反應(yīng)流動行為
適用于評價新的現(xiàn)象及復(fù)雜的流動(如旋風分離及旋轉(zhuǎn))
非常消耗計算資源,計算結(jié)果對初始條件很敏感,需要高質(zhì)量的計算網(wǎng)格。
CFD軟件中的雷諾應(yīng)力模型:
6轉(zhuǎn)捩模型
1.模型用于模擬流動從層流轉(zhuǎn)變到湍流的過程
2.轉(zhuǎn)捩不連續(xù)
適用于流動從層流轉(zhuǎn)變到湍流的情況
邊界條件會對計算造成困難
一些CFD軟件中的轉(zhuǎn)捩模型:
14LES模型
1.大渦模擬基于自相似理論
2.使用sub-grid-scale模擬計算小渦,而大渦基于幾何計算
將大渦與小渦的速度場分開
熱疲勞、振動以及福利流動(船舶設(shè)計)
近壁面區(qū)域計算困難
一些CFD軟件中的LES模型
8DES,DDES,IDDES模型
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分離渦模擬(DES)在近壁面采用LES,在湍流核心區(qū)采用RANS
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Delayed DES(DDES)模擬可以阻止模型應(yīng)力損耗以及網(wǎng)格導致的分離
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Improve DDES與DDES模型一樣解決對數(shù)區(qū)不匹配的問題
適用于外流空氣動力學,氣動聲學,壁面湍流等
程序設(shè)計麻煩
一些CFD軟件中的DES模型
9直接數(shù)值模擬DNS
1.直接采用數(shù)值方法求解NS方程,不采用任何湍流模型
2.湍流的時間及空間尺度在網(wǎng)格中進行求解
機理研究以及工程應(yīng)用中湍流模型開發(fā)
對計算資源要求非常高。目前僅用于低雷諾數(shù)流動
10其他模型:SAS模型
1.不穩(wěn)定流動區(qū)域計算類似于LES
2.穩(wěn)態(tài)區(qū)域計算類似于RANS
分離區(qū)域、航空航天
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