多相湍流流动基础和数值模拟西安讲学-3

西安理工大学讲学

多相湍流流动基础和数值模拟(3）

2005年7月7日-13日多相湍流流动模拟基础（1）清华大学航天航空学院工程力学系周力行教授主要参考书周力行，湍流气粒两相流动和燃烧的理论与数值模拟，科学出版社，北京，1994周力行，多相湍流反应流体力学，国防工业出版社，北京，2002。大纲基本守恒方程液体/气体湍流模型—k-模型雷诺应力方程模型代数应力模型

研究背景流体湍流现象本身已经很复杂，多相湍流和湍流燃烧现象更复杂

连续相和离散相的脉动之间有强烈的相互作用多相湍流流动和燃烧模型是CFD软件的理论基础湍流模型，即周培源提出的封闭和求解雷诺方程的方法，目前仍然是解决工程问题的唯一有效方法长期以来，湍流模型研究只针对单相流体本身最近，双流体模型比颗粒拉氏轨道模型得到更快的发展原来的双流体模型缺乏对颗粒脉动的确切认识我们提出了“颗粒湍流”和“多相湍流模型”的概念基本守恒方程组层流/瞬态稀疏多相流动守恒方程组（1）

层流/瞬态稀疏多相流动守恒方程组（2）

针对湍流多相流动的Reynolds展开和取时平均瞬时量=平均量+脉动量.多相湍流反应流动的流体/气体方程组雷诺平均后出现的二阶矩，即流体/气体雷诺应力、热流和物质流是未知的，要建立封闭模型多相湍流反应流动的颗粒相方程组

（只考虑阻力和重力）雷诺平均后出现的二阶矩，即颗粒雷诺应力、热流和物质流是未知的，要建立封闭模型

液体/气体湍流模型RANS模拟和湍流模型湍流是流体力学中尚未完全解决的复杂理论问题

工程中早期常用的是取湍流粘性系数为常物性系数和射流积分法周培源在50多年前建议求解Reynolds时均方程组及关联量输运方程的方法30多年前Launder等人实现了湍流模型（模式）方法，即湍流的统观模拟，目前称为RANS模拟近代发展的DNS和LES，由于计算量很大，尚不能普遍用于工程问题湍流模型的基本思想是根据物理概念用低阶关联量或平均流性质来模拟未知的高阶关联量，从而封闭平均量方程组或关联量方程组

雷诺应力方程的原始形式

产生项Dij,ij,和ij需要封闭模型扩散项压力-应变项耗散项模拟封闭的基本原则

分析每一项的物理意义运用量纲分析法在坐标变换中，模拟后的项与原来的项有相同的特性对三阶关联量允许使用梯度模拟各向同性耗散各向异性向各向同性的回归

扩散项的梯度模拟-Daly-Harlow模型

各向同性的应力耗散模型压力应变项的IPCM模型（IsotropizationofProductionandConvection

Model)其他模型—GL模型,SSG和FLT非线性模型k-ε双方程模型

Boussinesq表达式混合长模型-零方程模型湍流动能方程的简化-局部平衡：忽略对流和扩散：产生=耗散

其他的湍流模型修正的k-模型-低Re数k-模型-RNG-k-模型-旋流和浮力流动的Richardson修正的k-模型-可实现性k-模型和Reynolds应力方程模型(DSM)相对应的代数应力模型（AlgebraicStressModel，ASM)多尺度k-和Reynolds应力模型用k-ε模型模拟无旋突扩回流流动旋风分离器中强旋流动…k-ε___ASM突扩流动轴向速度（实验，DSM，---ASM，k-）

旋流突扩流动轴向速度（实验，DSM，---ASM，k-）

旋流突扩流动轴向速度(DSM)旋流突扩流动轴向脉动速度(DSM)

旋流突扩流动轴向速度

环管中旋流流动（a）k-ε（b）原ASM（c）改进的ASM分离器中强旋流动（改进的DSM）湍流模型应用的结论不存在普遍而通用的湍流模型对边界层、射流、管道、槽道和无分离的喷管流动等可以用混合长模型对二维或三维无浮力，无旋或