搜索選用合適的湍流模型
2017-03-08 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
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,但從一個側面也反映出湍流的復雜性。
為了解決工程中的湍流問題,人們發展了非常多的湍流模型,這些模型或多或少都帶有經驗參數,因此通用性非常差,在實際應用過程中通常需要根據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,總結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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非常穩健
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計算開銷非常小
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內部流動,特別是電子散熱問題
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計算精度較低
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關于Wall Treatment Model在各類CFD軟件中的存在情況,如下表所示
關于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方程基礎上添加了一個額外的粘度項
這些模型的區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,增加了一個新的變量SA粘度
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對內存要求不高
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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,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個用于湍流應力的方程
3.能夠很好的反應流動行為
適用于評價新的現象及復雜的流動(如旋風分離及旋轉)
非常消耗計算資源,計算結果對初始條件很敏感,需要高質量的計算網格。
CFD軟件中的雷諾應力模型:
6轉捩模型
1.模型用于模擬流動從層流轉變到湍流的過程
2.轉捩不連續
適用于流動從層流轉變到湍流的情況
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(船舶設計)
近壁面區域計算困難
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,在湍流核心區采用RANS
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Delayed DES(DDES)模擬可以阻止模型應力損耗以及網格導致的分離
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Improve DDES與DDES模型一樣解決對數區不匹配的問題
適用于外流空氣動力學,氣動聲學,壁面湍流等
程序設計麻煩
一些CFD軟件中的DES模型
9直接數值模擬DNS
1.直接采用數值方法求解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格中進行求解
機理研究以及工程應用中湍流模型開發
對計算資源要求非常高。目前僅用于低雷諾數流動
10其他模型:SAS模型
1.不穩定流動區域計算類似于LES
2.穩態區域計算類似于RANS
分離區域、航空航天
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