【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)

注:以下內(nèi)容來自fluent theory guide

01— 雷諾平均


在雷諾平均中,瞬時(精確)Navier-Stokes方程的解變量被分解為平均(總體平均或時間平均)和波動分量。對于速度分量:

【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖1

其中右邊第一項為平均速度分量,第二項為脈動速度分量(i=1,2,3)。

同樣,對于壓力和其他標(biāo)量:
【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖2
其中Φ表示一個標(biāo)量,如壓力、能量或物種濃度。

將這種形式的流動變量表達(dá)式代入瞬時連續(xù)和動量方程,并取時間(或總體)平均值,就得到了總體平均動量方程。它們可以寫成笛卡爾張量的形式:

【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖3
方程4-3和方程4-4稱為雷諾-平均Navier-Stokes (RANS)方程。
它們具有與瞬時Navier-Stokes方程相同的一般形式,速度和其他解變量現(xiàn)在表示總體平均(或時間平均)值?,F(xiàn)在出現(xiàn)了代表湍流效應(yīng)的附加項。這些雷諾應(yīng)力, 【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖4,必須建模,以封閉方程4-4。對于變密度流動,方程4-3和方程4-4可以解釋為Favre均值Navier-Stokes方程,速度表示質(zhì)量均值。因此,方程4-3和方程4-4可以應(yīng)用于變密度流動。

02— 過濾后的n-s方程

通過對傅里葉(波數(shù))空間或構(gòu)型(物理)空間中與時間相關(guān)的Navier-Stokes方程進(jìn)行過濾,得到了LES的控制方程。該過濾過程有效地過濾了尺度小于計算中使用的過濾寬度或網(wǎng)格間距的渦流。由此得到大渦的動力學(xué)控制方程。濾波后的變量(用上劃線表示)定義如式4-5所示:

【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖5

其中D為流體域,G為決定分辨渦旋尺度的過濾函數(shù)。

ANSYS Fluent中,有限體積離散化本身隱含地提供了過濾操作:

【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖6

其中V為計算單元的體積。這里隱含的過濾函數(shù)G(x,x')則是

【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖7

ANSYS Fluent中的LES適用于可壓縮流和不可壓縮流。然而,為了簡明的表述,下面的理論首先討論了不可壓縮流。

過濾連續(xù)性和動量方程,得到:

【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖8

【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖9 

其中【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖10是分子粘度引起的應(yīng)力張量

【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖11

【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖12

對能量方程進(jìn)行過濾,得到:

【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖13

式中h_s為顯熱焓,λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

式(4-12)中的次網(wǎng)格焓通量項采用梯度假設(shè)近似:

【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖14

其中【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖15為次網(wǎng)格粘度,【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1)的圖16為次網(wǎng)格普朗特數(shù),等于0.85。


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