Spalart-Allmaras湍流模型的案例
【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型
Spalart-Allmaras模型是一個單方程模型，它求解了運動渦動(湍流)粘度的模型傳輸方程。Spalart-Allmaras模型是專門為涉及壁面有界流動的航空航天應用而設計的，并已被證明對承受逆壓力梯度的邊界層有很好的效果。它在葉輪機械的應用中也越來越受歡迎。
Spalart-Allmaras模型在其原始形式下是一個有效的低雷諾數模型，要求邊界層粘滯影響區域得到適當的解析(y+~1)。ansys Fluent中，Spalart-Allmaras模型通過對y+不敏感的壁面處理，使得模型的應用與近壁y+分辨率無關。該方法可自動從粘性底層公式過渡到基于y+的對數公式。在中間網格(1 < y + < 30), 公式保持其完整性，并提供一致的壁面剪應力和傳熱系數。在去除敏感性的同時，仍需保證邊界層的分辨率最小為10-15個單元。
Spalart-Allmaras模型是針對空氣動力流動而建立的。它沒有對一般的工業流動進行校準，并且對一些自由剪切流動，特別是平面和圓形射流，產生了相對較大的誤差。此外，它也不能用來預測均勻各向同性湍流的衰減。
01—
Spalart-Allmaras模型的輸運方程
在Spalart-Allmaras模型中，除了近壁面(粘滯影響)區域外，輸送變量ν ?與湍流運動粘度相同。修正后的湍流粘度ν ?的輸運方程為
式中，G_v為湍流粘度的產生，Y_v為近壁面區域由于壁面堵塞和粘性阻尼而產生的湍流粘度的破壞。
σ_ν ? 和C_b2是常量，ν是分子運動粘度。S_ν ? 是用戶定義的源項。
展開 [案例分析]STARCCM+入門系列之——跨音速流動模擬
本算例模擬了通過理想化的二維湍流，可壓縮跨音速氣流，來仿真RAE2822翼型的馬赫數與升力系數。
1、問題描述
自由流馬赫數是0.725，雷諾數是6.5E6，攻角是2.92°，自由流是亞音速流，在翼型的吸入側變為超音速流，通過沖擊波時是亞音速流。監測升力和曳力系數，以幫助。幾何與網格
本案例使用已經畫好的體網格，將導入以后的網格轉化為2D網格，轉化以后的網格如下圖。
2、STAR-CCM+設置
本模型定義了空間和臨時求解方法，以及流體的物理特性。流體是穩態、湍流且可以壓縮。使用默認的Spalart-Allmaras 湍流模型和理想氣體模型，耦合求解器。
（1）
選擇反應類型相應的湍流模型；
（2）根據空氣動力學特性修計算出空氣的動力粘度和導熱率并在材料節點修改。
（3）設置邊界條件，在Fluid > Boundaries > freestream > Physics Conditions > Flow Direction Specification節點，將Method property改為Components。在Physics Values節點將馬赫數修改為0.725。
3、計算后處理
計算以后截面的馬赫數如下
計算域馬赫數分布
翼型升力系數變化
翼型曳力系數變化
本文轉自有限猿仿真博客，感謝原作者。如有侵權請立即聯系刪除。
展開 超音速飛機推進系統優化——擴壓器的CFD仿真分析
該模型對這兩種情況進行了分析。
弱激波的出口壓力設為 16.05 psi，強激波的出口壓力設為 14.10 psi。這些壓力低到足以使流動變為音速，但又不至于在整個擴壓器中保持超音速。在入口處，你可以計算出流動特性，并將數值應用在一致的邊界條件上。溫度和壓力等入口條件則基于它們的整體屬性（分別為 500 R 和 19.58 psi）來定義的。
為了有效描述擴壓器中的氣流，該模型使用高馬赫數流動接口，這對于模擬超音速氣流尤為實用。本模型使用通道高度和入口屬性來計算空氣湍流，并使用 Spalart-Allmaras 湍流模型計算其粘度。
仿真結果與實驗數據的比較
仿真結果顯示不同出口壓力下空氣穿過擴壓器時的速度。在這兩種情況下，結果均符合預期：空氣加速到超音速，激波減緩了流動，其中強激波導致流動分離。
跨音速擴壓器中弱激波（上）和強激波（下）情況下的流速。
頂壁上的靜壓基于入口壓力進行歸一化處理。對于兩種出口壓力，結果大體上都與實驗數據一致，不過兩次仿真中的激波都出現在比實驗中稍微靠近下游的位置。
兩種出口壓力下，模型（線）與實驗（菱形）數據的靜壓比較圖。
下圖中繪制了強激波情況下擴壓器中兩個不同位置的流向速度分布圖。通過檢查第一個位置可以看出，流動分離的起始位置與實驗中的情況大致相同，速度也相似。對于第二個位置，中心空氣速度仍然與實驗高度吻合，但模型中的反向流動表明分離區略微向下游延伸。
擴壓器中兩個位置的速度分布圖，其中將模型結果（線）與實驗數據（菱形）進行比較。
總的來說，仿真結果與實驗結果相當一致，這表明 CFD 模塊可以精確地求解高速湍流，包括超音速流動和激波。
展開 使用 Cadence CFD 和 Concepts NREC 對離心式壓縮機進行多學科優化
求解器
幾何設計和網格劃分部分提到，CSM仿真是在AxCent中進行的，CSM設置如下：
單通道模型 – 包括魚片
具有相對單元格大小的非結構化網格
一個操作點
使用材料 - 奧氏體不銹鋼（300 系列）
旋轉速度：= 1.15
= 100° 時的材料特性
對于 CFD 仿真，將從 Fidelity Automesh Autogrid 獲得的網格插入 市場上最快的結構化求解器Fidelity Flow （Fine/Turbo），為轉子-定子接口、收斂加速提供高級選項，并具有完整和批處理腳本功能。差價合約設置如下：
單通道型號
結構化網格
Spalart–Allmaras 湍流模型
墻面功能
流體：2、理想氣體
邊界條件：入口總壓、入口溫度和出口質量流量
沿單速線的三個操作點
結果與結論
五種設計的最大 von Mises 應力和總等熵效率。
根據繪制的數據，很明顯 v3 設計是最優化的，在目標之間取得了良好的平衡。這種設計具有最小的 von Mises 應力、高效率和令人滿意的安全限制。總之，總效率提高了 0.6%，而離心力產生的應力降低了 50% 以上。
該案例研究清楚地表明，將不同學科整合到一個優化過程中對于實現實用設計至關重要。Cadence CFD 和 Concepts NREC 提供了有效的工具來簡化這個過程。當面對相互沖突的目標時，實施多目標優化可以幫助確定最佳解決方案。
展開 
低壓汽輪機級的機器學習優化
型腔設計參數
允許范圍
1
迷宮密封齒頂寬
2-5毫米
2
迷宮密封齒不對稱
0-1
3
迷宮密封齒軸向偏移
±5毫米
表1：型腔設計空間
型腔設計參數
允許范圍
1
迷宮密封齒頂寬
2-5毫米
2
迷宮密封齒不對稱
0-1
3
迷宮密封齒軸向偏移
±5毫米
表2：葉片設計空間
Fidelity Fine Design3D 軟件基于復雜的機器學習內核，該內核使用進化算法來驅動基于初始實驗設計 (DoE) 的替代模型，使其運行到保持在定義的約束范圍內的最佳狀態。首先，通過使用提供的八個參數進行完整的 CFD 模擬來運行 DoE，并用幾個點填充設計空間。代理模型被定義為擬合這些點的響應面。Fine Design3D 然后智能地探索這個空間，改變輸入參數，運行更多模擬，更新模型，并迭代細化，直到找到最佳值。
為了生成初始解決方案，根據最佳實踐設置 CFD 模擬。單次傳代生成 1.8m 細胞的低分辨率網格，并使用 Fine Turbo 運行模擬。使用水蒸汽作為流體，并使用 Spalart-Allmaras 湍流模型生成穩態解。表3給出了更詳細的模擬參數。
展開 利用fluent對空氣在一個噴管內的流動做流場分析
(5)建立求解模型。選擇耦合、隱式求解器，先求解定常流動，將求解的值作為非定常流動的初始值。再選擇湍流模型為Spalart-Allmaras模型，該湍流模型是一種相對簡單的一方程模型，僅考慮了動量的傳遞方程。在氣體動力學中，對于有固壁邊界的流動，利用Spalart-Allmaras模型計算邊界層內的流動以及壓力梯度較大的流動都可得到較好的結果。
(6)設置流體屬性。選擇理想氣體定律來計算流體的密度。此時，fluent會自動激活求解能量方程，不用再到能量方程設置對話框中進行設置了。
(7)設置邊界條件。先將初始壓強設置為0atm后，在邊界條件設置時，將是以絕對壓強給定的。邊界條件中壓強的給定總是相對于工作壓強的。分別設置噴管的入口和出口邊界條件。
(8)求解定常流動。先進行流場初始化，再設置求解器參數，再設置殘差監視器，設置出口質量流量監視器。
殘差曲線如下圖所示：
圖5 殘差監視變化曲線
圖6 出口質量流量監測變化曲線
質量曲線說明了解得收斂性。
(8)下面做出定常流動速度矢量。如下圖所示：
圖7 速度矢量圖
定常流動計算顯示，通過噴管的流速最高可達262m/s。
(9)顯示壓強的分布
圖8 噴管內壓強分布圖
由圖中可以明顯看出，噴管左邊為高壓區，右邊為低壓區，氣體在兩端壓差的作用下流動。在噴管喉部氣體流速最快，其壓強也最小。
(10)顯示噴管壁面上的壓強分布
圖9 噴管壁面上的壓強分布圖
噴管壁面的壓強分布也說明了噴管左端為高壓區，右端為低壓區，噴管喉部壓強最小。
展開 陳珂，等：天然氣管道摻氫輸送對離心壓縮機氣動性能的影響
利用 NUMECA FINE/Turbo 軟件對圓柱坐標系下雷諾平均 Navier-Stokes 方程進行求解，選用在復雜流場有良好處理能力并兼具良好魯棒性的 Spalart-Allmaras 湍流模型。空間的離散格式采用二階精度的中心差分格式，時間項選取 4 階 Runge-Kutta 方法進行迭代求解推進獲得定常解，CFL 數為3.0，計算中采用實際氣體物性參數，設置第一層網格高度為 0.04 mm，Y+約為 1，滿足湍流模型的要求。根據實驗的邊界條件，設置計算的邊界條件：入口溫度為 318 K，進口壓力為 8.101 MPa，固體壁面采用絕熱、無滑移條件，給定進口壓力、溫度、出口靜壓及進口氣流角。
（a）完整葉輪
（b）葉片前緣局部圖
圖 1 GE PCL503 壓縮機葉輪網格示意圖
Fig. 1 Grid diagram of GE PCL503 compressor impeller
1.3
模型驗證
采用數值計算軟件 NUMECA 中 TabGen 程序可以生成與其求解器相適用的物性表格文件，其工作原理為：根據所需參數范圍調用 NIST REFPROP 數據庫以生成相適用的 30 個物性表格文件供求解器調用，求解器使用表格時插值點數為 150，使用三次插值法將物性表格劃分范圍設定為 250~500 K、6~15 MPa。其中對比驗證使用的天然氣氣體體積分數含量與文獻 [13]保持一致（表 2）。
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