【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model

注:以下內容來自fluent theory guide

ANSYS FLUENTT中的標準k-ω模型是基于Wilcox k-ω模型,這包含對低雷諾數效應,壓縮,剪切流的修正。Wilcox模型的弱點之一是解對剪切層外k和ω值的敏感性。雖然在ANSYS Fluent中實現的新公式減少了這種依賴性,但它仍然可以對求解產生顯著的影響,特別是對于自由剪切流。

標準k-ω模型是一種基于湍流動能(k)和耗散率(ω)輸運方程的經驗模型,也可以認為是ε比k。k-ω模型被修正這些年來,產生源項已經被添加到k和ω方程,這大大改進了模型預測自由剪切流的準確性。


01— 標準k-ω模型的輸運方程



湍流動能k和耗散率ω,從以下輸運方程得到:

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖1

其中G_k表示平均速度梯度產生的湍流動能;

G_w表示w的生成;

τ_k 和 τ_w分別代表k和w的有效擴散系數;

Y_k和Y_w表示k和w在湍流作用下的耗散;

S_k和S_w是用戶定義的源項;

以上各項計算方法如下。


02— 模型有效擴散系數


k-ω模型的有效擴散系數由下式給出:

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖2

σ_k和σ_ω分別代表k和ω的湍流普朗特數,結合k和ω計算湍流粘度μ_t:

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖3


03— 低雷諾數修正


系數α*抑制湍流粘度,所以要對低雷諾數修正,它是由下式給出:

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖4

其中,

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖5

注意,在k-ω模型的高雷諾數形式下,α*=α*∞ = 1。

04— 模型湍流的產生


G_k表示平均速度梯度產生的湍流動能。由k的輸運方程可知,這一項可以定義為:

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖6

用符合Boussinesq假設的方法計算G_k,

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖7

其中S是平均應變率張量的模量,定義方式與k-ε模型相同。

ω的產生由下式給出:

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖8

其中,G_k由式4-73給出。

系數α是

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖9

其中R_ω = 2.95。α*和Re_t分別由式4-68和式4-69給出。

注意,在k-ω模型的高雷諾數形式下,α*=α*∞ = 1。

05— 模型的湍流耗散

k的耗散為:

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖10

其中,

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖11

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖12

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖13 

其中,Re_t由式4-69給出。

ω的耗散由下式給出:

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖14

其中,

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖15

應變率張量S_ij定義于式4-25。

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖16

β*_i和F(M_t)分別由式4-81和式4-90定義。

06— 壓縮性效應


可壓縮函數F(M_t)由下式給出:

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖17

其中,

 

【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖18

注意,在k-ω模型的高雷諾數形式下,β_i *=β_∞* ,不可壓縮形式β*=β_i *。

壓縮效應在非常有限的自由剪切流實驗中進行了校準,不推薦普遍使用。默認情況下是禁用的。

07— 模型常數



【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model的圖19

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