四种湍流模型介绍知识讲解

1、由于航发燃烧室中的流动特性极其复杂，要想提高数值计算的预测能力，必须要慎重选择湍流模型。用四种不同的湍流模型对带双径向旋流杯的下游流场进行数值模拟，将计算结果与实验结果作对比，比较各湍流模型的原理和物理基础，优劣，并分析流场速度分布和回流区特性。涉及的湍流模型：标准k- £湍流模型（SKE）1标准k- e湍流模型有较高的稳定性，经济性和计算精度，应用广泛，适合高雷诺数湍流， 但不适合旋流等各向异性较强的流动。2简单的湍流模型是两个方程的模型，需要解两个变量，即速度和长度。在 fluent中，标准 k-e湍流模型自从被 Launder and Spalding提出之后，就变成流场计算中

2、的主要工具。其在 工业上被普遍应用，其计算收敛性和准确性都非常符合工程计算的要求。3但其也有某些限制，如e方程包含不能在壁面计算的项，因此必须使用壁面函数。另外， 其预测强分离流，包含大曲率的流动和强压力梯度流动的结果较弱。它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。动能输运方程是通过精确的方程推导得到，耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原型方程得到的。应用范围：该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略，此标准K-£模型只适合完全湍流的流动过程模拟。可实现的k- e模型是才出现的，比起标准 k- e模型来有两个主要的不同点：可实现的k- e模型为湍流粘性增加了一个公式

3、。为耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程。术语“realizable ”，意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束，湍流的连 续性。应用范围：可实现的k- e模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测。而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好 的表现。可实现的k- e模型和RNG- e模型都显现出比标准k- e模型在强流线弯曲、漩 涡和旋转有更好的表现。由于带旋流修正的k- e模型是新出现的模型，所以还没有确凿的证据表明它比 RNG k- £模型有更好的表现。但是最初的研究表明可 实现的k- e模型在所有k

4、- e模型中流动分离和复杂二次流有很好的作用。该模型适合的流动类型比较广泛，包括有旋均匀剪切流，自由流（射流和混合层）， 腔道流动和边界层流动。对以上流动过程模拟结果都比标准 k- e模型的结果好， 特别是可再现k- e模型对圆口射流和平板射流模拟中， 能给出较好的射流扩张。可实现k-?湍流模型（RKE1可实现k-?湍流模型（RKE）较之前两种k-e湍流模型的优点是可以保持雷诺应力与真实 湍流一致，可以更精确的模拟平面和圆形射流的扩散速度，同时在旋流计算，带方向梯度压强的边界计算和分离计算等问题中，计算结果更符合真实情况，同时在分离流计算和带二次流的复杂流动计算中也表现出色。但是，在同时静止区

5、和旋转的流场计算中，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，因此在此类计算中应该慎重选用。2可突现*喑摄型是近期才出现的.比起标港上七段型.可实现模型为湍流粘性增加 个公式，可实现*5接不还为耗热率措加了新的传方程，这个方程来源于一个为层疏速度脉初 向作的精砒方用 1可寞理”同意味着榄喂中与南诺应力有儿的累清是某些教学限制.，真阳流动的物理情况相打.如.南诺帆切应力项的地瓦兹不等式标湘3”滴流 用4Vl和席不奥化村（RNG） * £湍源模鬼并不是同实现的 可冥理（ Rwli/abk）Sit流模型的惘»在于算箧技器地Hi常平血和90形时流扩散作用.而El它

6、对族必流动,强逆压桥度的边界 层海项.流动分离和二次流栉很好的表现.可寞现工.工模型和RNG匕-工模型在蜀流线方曲.浪洞和陡转方面比标布上匕模型有更好的& 现.由干叼实现*书模型是新出现的模型,四此现在还没有确雷的证据表明它比RNG*/模墙有 更好的晨就口但是些研究表明可突现*模到在91蒲流动分离和宣杂二次流方面有很好的作用、可失地上/程蟹的一个不足是.在汁算旋转和惮态湎动M域时不能提供自然的寓也帖度 这 是因为可实现仙，模不在定义温时粘度时学点了平均的度的影晌 这种题外的旋转套哨已经在单 一旋转参考系中得到证实.而目表现要好于标准*模型口由于这些修改.在把它应用于多重参 看系统中时瑞

7、春注意雷诺应力平均湍流模型（RSM）i雷诺应力模型没有采用涡粘性各项同性假设，在理论上比前面的湍流模式理论精确很多, 直接求雷诺应力分量的输运方程，适用于强旋流。237）芾甫压力极M （ KSM ）,在FLUENT中,RSM是裱精地开发的横吊.放寿等方性辿界魂度便设，RSM使得律平均 ME2k.方程封.“袂大于方善中的甯诏范力,还有林做速率的不封册问题这点味日 二维演动中加入4个方程,而在三堆滚动中E人广7个方程，以能封闭方程的、由于RSM比单方程和双方程模暇更加严格蟾号虚了流或啜弯曲、施飘、旋转相张力快速变 化.因此它财子星杂流域有更高的模海潜力,但基这料他翻1<7限于与雷诺保力行关的

8、方再压 力张力相耗微速率裱认力是使RSM慢型预测陆度降低的主要因索.因为FLUENT模电时R5M模型进行优化，在FLUENT中应卬时.KSM模型并小由是国为 比筒雌模耀灯而花懵更参的计算机资源.而且.在尊德雷诺乐力的各向舁性时，必须用RSM WfS. RSM典坦的应用包括幽风流如.想烧室高速旋转通、性道中 次流苫 尤其是强加流汪M.他用 小£模帆或上模型晶而能正畸情涮流过程.此时R有RSM保军才优茯得强箕流流动的精确皓果大涡模拟（LES）(8 )大湖模型(LES)曲流前瓶中起上导作用的是大尺4的旋涡.小尺寸的激涓主要引起(S流动发的犷敢 抨论I 可以通过直接数值模«U DN

9、S湍漉模型，但是在实际_L程中并不可行，它的计算代批人人，不 实用*制It的流场计算方法是用N+vkaSiokG方程.即RANS法，在使用此方法模报时,所有 的浦流流场都町支模m 理论上.LE3法的计算M即精瑜度处J- DNS *j MNS之同 端单地讲. LES模型是大尺寸旋涡直接求解,而小尺寸翻覆拟求解,使用LES模型的尿剜如下: 动后，质旗，傕时主要由大尺寸iit涡传输. 大涡在漱动中起主:导fl用,它打圭要由而动的几何体和边界条件来确定 小满不起主导作用(尺寸上)，怛其决方法更具有通用性. 与仪育小满时，更容脑创建通用的模驾.在实际工程中使用大券模艰时.其需要高版的国格划分.这瘠要据大

10、的计就代僚.只有计 算机慢件性他大薪提高或人果用昨打达班时，LEE才M徒用于实用丁程WH重整化群RNG匕£湍流模型1重整化群RNG k-e湍流模型可以计算低雷诺数湍流，其考虑到旋转效应，对强旋流计算 精度有所提高。KNG七鹏模型来源于产格的统计技术.它和标淮he模型很相似.但模型在工方 焊中加广一个条件，从而有效地提高精度RNGa：悔型考点流飘淡弱，糙高在:这方面的 精精 RNGJS论为常理中国1dti敷畏侠一个解析公式，而惊碓 使用的最用户提供的签 的皓数 而凡标雅模叩：/ 种高后诺教的嘤甲，RNG理由提供了一个专虑抵雷诺数诲动粘性 的解析公式 这咚公式的效用依靠傩否lF.确处理近壁区域，