【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(2)

注:以下內(nèi)容來自fluent theory guide。 

01— Hybrid RANS-LES Formulations(混合RANS-LES公式)


雷諾平均和空間過濾的概念似乎不相容,因?yàn)樗鼈冊趧?dòng)量方程中產(chǎn)生了不同的附加項(xiàng)(雷諾應(yīng)力和子網(wǎng)格應(yīng)力)。這將排除比例自適應(yīng)模擬(SAS)、分離渦模擬(DES)、屏蔽渦模擬(SDES)或應(yīng)力混合渦模擬(SBES)等混合模型,這些模型都基于整個(gè)區(qū)域的RANS和LES部分的一組動(dòng)量方程。值得注意的是,一旦湍流模型被引入動(dòng)量方程,它們不再攜帶任何關(guān)于其推導(dǎo)(平均)的信息。在RANS和LES中,最流行的模型都是用來代替雷諾數(shù)或者子網(wǎng)格應(yīng)力張量的渦流粘度模型。引入渦流粘度(湍流粘度)后,RANS和LES動(dòng)量方程形式上是相同的。不同之處在于湍流模型所提供的渦流粘度的大小。這使得湍流模型的制定可以從RANS模式切換到LES模式,通過適當(dāng)降低LES區(qū)域的渦流粘度,而不需要對動(dòng)量方程進(jìn)行任何形式的改變。


02— Boussinesq Approach vs. Reynolds Stress Transport Models

湍流模型的雷諾數(shù)平均方法要求對方程4-4(參見上一篇 【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(1))中的雷諾應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)建模。一種常用的方法是使用Boussinesq假設(shè)將雷諾應(yīng)力與平均速度梯度聯(lián)系起來:

【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(2)的圖1

Boussinesq假設(shè)用于Spalart-Allmaras模型,k-ε模型和k -ω模型。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是與計(jì)算湍流粘度相關(guān)的計(jì)算成本相對較低。在Spalart-Allmaras模型中,僅求解了一個(gè)附加的傳輸方程(表示湍流粘度)。k-ε和k-ω模型的情況下,兩個(gè)額外的傳輸方程(湍流動(dòng)能和湍流耗散率,或指定的耗散率)被求解,μ_t作為k和ε或k和ω的函數(shù)被計(jì)算。Boussinesq假設(shè)的缺點(diǎn)是它假設(shè)μ_t是一個(gè)各向同性的標(biāo)量,這并不完全正確。各向同性湍流粘度的假設(shè)通常適用于只有一個(gè)湍流剪應(yīng)力主導(dǎo)的剪切流。這覆蓋了許多流動(dòng),如壁面邊界層、混合層、射流等等。

RSM中體現(xiàn)的另一種方法是求解雷諾應(yīng)力張量中每一項(xiàng)的傳輸方程。還需要一個(gè)附加的(通常是ε或ω)尺度決定方程。這意味著在二維流動(dòng)中需要五個(gè)附加輸運(yùn)方程,而在三維流動(dòng)中需要七個(gè)附加輸運(yùn)方程。

在許多情況下,基于Boussinesq假設(shè)的模型表現(xiàn)很好,雷諾應(yīng)力模型的額外計(jì)算開銷是不必要的。然而,在湍流的各向異性對平均流有顯著影響的情況下,RSM顯然是優(yōu)越的。這種情況包括高旋流和應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的二次流。

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