湍流模型介绍

湍流模型介绍因为湍流现象是高度复杂的，所以至今还没有一种方法能够全面、准确地对所有流动问题中的湍流现象进行模拟。在涉及湍流的计算中，都要对湍流模型的模拟能力以及计算所需系统资源进行综合考虑后，再选择合适的湍流模型进行模拟。FLUENT中采用的湍流模拟方法包括Spalart-Allmaras模型、standard（标准）k−ε模型、RNG（重整化群）k−ε模型、Realizable（现实）k−ε模型、v2−f模型、RSM（ReynoldsStressModel，雷诺应力模型）模型和LES（LargeEddySimulation，大涡模拟）方法。7.2.1雷诺平均与大涡模拟的对比因为直接求解NS方程非常困难，所以通常用两种办法对湍流进行模拟，即对NS方程进行雷诺平均和滤波处理。这两种方法都会增加新的未知量，因此需要相应增加控制方程的数量，以便保证未知数的数量与方程数量相同，达到封闭方程组的目的。雷诺平均NS方程是流场平均变量的控制方程，其相关的模拟理论被称为湍流模式理论。湍流模式理论假定湍流中的流场变量由一个时均量和一个脉动量组成，以此观点处理NS方程可以得出雷诺平均NS方程（简称RNS方程）。在引入Boussinesq假设，即认为湍流雷诺应力与应变成正比之后，湍流计算就归结为对雷诺应力与应变之间的比例系数（即湍流粘性系数）的计算。根据计算中使用的变量数目和方程数目的不同，湍流模式理论中所包含的湍流模型又被分为二方程模型、一方程模型和零方程模型（代数模型）等大类。FLUENT中使用的三种k−ε模型、Spalart-Allmaras模型、k−ω模型及雷诺应力模型RSM）等都属于湍流模式理论。大涡模拟（LES）方法是通过滤波处理计算湍流的，其主要思想是大涡结构（又称拟序结构）受流场影响较大，小涡则可以认为是各向同性的，因而可以将大涡计算与小涡计算分开处理，并用统一的模型计算小涡。在这个思想下，大涡模拟通过滤波处理，首先将小于某个尺度的旋涡从流场中过滤掉，只计算大涡，然后通过求解附加方程得到小涡的解。过滤尺度一般就取为网格尺度。显然这种方法比直接求解NS方程的DNS方程效率更高，消耗系统资源更少，但却比湍流模式方法更精确。尤其应该注意的是，湍流模式理论无法准确模拟大涡结构，因此在需要模拟大涡结构时，只能采用LES方法1。尽管大涡模拟理论比湍流模式理论更精确，但是因为大涡模拟需要使用高精度的网格，对计算机资源的要求比较高，所以还不能在工程计算中被广泛使用。在绝大多数情况下，湍流计算还要采用湍流模式理论，大涡模拟则可以在计算资源足够丰富的时候尝试使用。7.2.2Spalart-Allmaras模型Spalart-Allmaras模型是一方程模型里面最成功的一个模型，最早被用于有壁面限制情况的流动计算中，特别在存在逆压梯度的流动区域内，对边界层的计算效果较好，因此经常被用于流动分离区附近的计算，后来在涡轮机械的计算中也得到广泛应用。最早的Spalart-Allmaras模型是用于低雷诺数流计算的，特别是在需要准确计算边界层粘性影响的问题中效果较好。FLUENT对Spalart-Allmaras进行了改进，主要改进是可以在网格精度不高时使用壁面函数。在湍流对流场影响不大，同时网格较粗糙时，可以选用这个模型。Spalart-Allmaras模型是一种新出现的湍流模型，在工程应用问题中还没有出现多少成功的算例。如同其他一方程模型一样，Spalart-Allmaras模型的稳定性也比较差，在计算中1FLUENT中尚未提供DNS计算选项。FLUENT6.1全攻略6采用Spalart-Allmaras模型时需要注意这个特点。7.2.3标准k−ε模型标准k−ε模型由Launder和Spalding提出，模型本身具有的稳定性、经济性和比较高的计算精度使之成为湍流模型中应用范围最广、也最为人熟知的一个模型。标准k−ε模型通过求解湍流动能（k）方程和湍流耗散率（ε）方程，得到k和ε的解，然后再用k和ε的值计算湍流粘度，最终通过Boussinesq假设得到雷诺应力的解。虽然得到了最广泛的使用，但因为标准k−ε模型假定湍流为各向同性的均匀湍流，所以在旋流（swirlflow）等非均匀湍流问题的计算中存在较大误差，因此后来又发展出很多k−ε模型的改进模型，其中包括RNG（重整化群）k−ε模型和Realizable（现实）k−ε模型等衍生模型。7.2.4RNGk−ε模型RNGk−ε模型在形式上类似于标准k−ε模型，但是在计算功能上强于标准k−ε模型，其改进措施主要有：（1）在ε方程中增加了一个附加项，使得在计算速度梯度较大的流场时精度更高。（2）模型中考虑了旋转效应，因此对强旋转流动计算精度也得到提高。（3）模型中包含了计算湍流Prandtl数的解析公式，而不象标准k−ε模型仅用用户定义的常数。（4）标准k−ε模型是一个高雷诺数模型，而重整化群k−ε模型在对近壁区进行适当处理后可以计算低雷诺数效应。7.2.5Realizablek−ε模型Realizablek−ε模型与标准k−ε模型的主要区别是：（1）Realizablek−ε模型中采用了新的湍流粘度公式。（2）ε方程是从涡量扰动量均方根的精确输运方程推导出来的。现实k−ε模型满足对雷诺应力的约束条件，因此可以在雷诺应力上保持与真实湍流的一致。这一点是标准k−ε模型和RNGk−ε模型都无法做到的。这个特点在计算中的好处是，可以更精确地模拟平面和圆形射流的扩散速度，同时在旋转流计算、带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计算结果更符合真实情况。Realizablek−ε模型是新出现的k−ε模型，虽然还无法证明其性能已经超过RNGk−ε模型，但是在分离流计算和带二次流的复杂流动计算中的研究标明，Realizablek−ε模型是所有k−ε模型中表现最出色的湍流模型。FLUENT6.1全攻略7Realizablek−ε模型在同时存在旋转和静止区的流场计算中，比如多重参考系、旋转滑移网格等计算中，会产生非物理湍流粘性，因此在类似计算中应该慎重选用这种模型。7.2.6k−ω模型k−ω模型也是二方程模型。标准k−ω模型中包含了低雷诺数影响、可压缩性影响和剪切流扩散，因此适用于尾迹流动计算、混合层计算、射流计算，以及受到壁面限制的流动计算和自由剪切流计算。剪切应力输运k−ω模型，简称SSTk−ω模型，综合了k−ω模型在近壁区计算的优点和k−ε模型在远场计算的优点，将k−ω模型和标准k−ε都乘以一个混合函数后再相加就得到这个模型。在近壁区，混合函数的值等于1，因此在近壁区等价于k−ω模型。在远离壁面的区域混合函数的值则等于0，因此自动转换为标准k−ε模型。与标准k−ω模型相比，SSTk−ω模型中增加了横向耗散导数项，同时在湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的输运过程，模型中使用的湍流常数也有所不同。这些特点使得SSTk−ω模型的适用范围更广，比如可以用于带逆压梯度的流动计算、翼型计算、跨音速激波计算等等。7.2.7v2−f模型v2−f模型与k−ε模型比较类似，但是v2−f模型中考虑到了壁面附近湍流的各向异性问题和非局部的压强与应变的关系。v2−f模型属于低雷诺数湍流模型，其适用范围从自由流区一直延伸到壁面，并且无需适用壁面函数。v2−f模型主要用于边界层计算和分离流计算。v2−f模型的突出特点是用速度尺度v2代替湍流动能k计算湍流粘度。速度尺度v2代表速度的脉动量，因此可以更准确地模拟湍流变量在壁面附近的耗散过程。这点是用湍流动能k进行计算时无法做到的。7.2.8雷诺应力模型（RSM）雷诺应力模型中没有采用涡粘度的各向同性假设，因此从理论上说比湍流模式理论要精确得多。雷诺应力模型不采用Boussinesq假设，而是直接求解雷诺平均NS方程中的雷诺应力项，同时求解耗散率方程，因此在二维问题中需要求解5个附加方程，在三维问题FLUENT6.1全攻略8中则需要求解7个附加方程。从理论上说，雷诺应力模型应该比一方程模型和二方程模型的计算精度更高，但实际上雷诺应力模型的精度受限于模型的封闭形式，因此雷诺应力模型在实际应用中并没有在所有的流动问题中都体现出其优势。只有在雷诺应力明显具有各向异性的特点时才必须使用雷诺应力模型，比如龙卷风、燃烧室内流动等带强烈旋转的流动问题。7.2.9湍流模型的计算速度计算速度的快慢与计算量成反比，即计算量大则计算速度慢，需要的时间也长。湍流模型计算中的工作量主要取决于方程的数量和方程中函数项的多少。如果不考虑大涡模拟方法，湍流模型计算从总体上说，一方程模型（Spalart-Allmaras模型）计算最快，二方程（k−ε模型、k−ω模型、v2−f模型）模型次之，雷诺应力模型最慢。7.2.10壁面函数和近壁模型在受壁面限制的流动中，因为壁面附近流场变量的梯度较大，所以壁面对湍流计算的影响很大。湍流模型中假定湍流是各向同性的，因此在壁面附近需要进行特殊处理。处理的一种办法是用半经验公式将自由流中的湍流与壁面附近的流动连接起来，这种方法被称为壁面函数法。另一种方法是通过在壁面附近加密网格，同时调整湍流模型以包含壁面影响的方法，被称为近壁模型法。壁面函数法中又有标准壁面函数法和非平衡壁面函数法。一般地说，标准壁面函数可以适用于大多数流动问题，因此也是FLUENT中缺省设置的方法。非平衡壁面函数法则适用于流场函数在壁面附近存在很大梯度的流动问题。壁面函数法适用于高雷诺数流动，近壁模型法适用于低雷诺数流动。7.2.11湍流计算方法的设置湍流计算方法的选择在Viscous（粘性）面板中进行。在确定了所需要的湍流模型之后，逐项进行选择即可，这里不再重复其操作过程。__计算成效：cpu时间和解决方案从计算的角度看Spalart-Allmaras模型在FLUENT中是最经济的湍流模型，虽然只有一种方程可以解。由于要解额外的方程，标准k-e模型比Spalart-Allmaras模型耗费更多的计算机资源。带旋流修正的k-e模型比标准k-e模型稍微多一点。由于控制方程中额外的功能和非线性，RNGk-e模型比标准k-e模型多消耗10～15%的CPU时间。就像k-e模型，k-ω模型也是两个方程的模型，所以计算时间相同。比较一下k-e模型和k-ω模型，RSM模型因为考虑了雷诺压力而需要更多的CPU时间。然而高效的程序大大的节约了CPU时间。RSM模型比k-e模型和k-ω模型要多耗费50～60%的CPU时间，还有15～20%的内存。除了时间，湍流模型的选择也影响FLUENT的计算。比如标准k-e模型是专为轻微的扩散设计的，然而RNGk-e模型是为高张力引起的湍流粘度降低而设计的。这就是RNG模型的缺点。同样的，RSM模型需要比k-e模型和k-ω模型更多的时间因为它要联合雷诺压力和层流。