湍流的案例
湍流建模|01工程湍流模型（下）
導讀：工程湍流模型概述-下。
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湍流求解的挑戰
渦流的大小尺度之間存在差異，求解的時候必須同時對兩者進行求解，湍流是一個連續問題，用Navier-Stokes方程描述。因此湍流建模不存在問題。
不要拿湍流模型當遮羞布——真的只是湍流算不準嗎？
什么時候湍流模型才是重要的
這里我要是堅持講湍流模型不重要，有丟了小命的可能，多少博士用它畢了業，多少國家基金靠它支撐經費盤子，多少失敗的仿真用它將責任推給了復雜的大自然。但是我希望你好好問問自己，你的算例真的只有湍流模型在搗亂嗎？
有兩種情況湍流模型才是真正重要的：
1.簡單的案例，仿真結果已經與準確值比較接近。例如平板流動，這么經典的流動，仿真可以八九不離十，湍流模型上的差異就是最大的誤差來源。
2.湍流是最重要的因素，湍流是否準確模擬直接決定仿真是否準確。例如分離流，湍流常常可以決定是否有分離產生以及分離的強度。
以下狀態就不要糾結湍流模型了
1.誤差超過了50％。（湍流模型一般沒有這么大禍害）
2.湍流與層流狀態的差異都可以接受。
問題來了，如何判斷對于具體算例湍流模型是否重要？
用極限狀態：湍流和層流狀態考核。如果這兩個極端狀態之間的差異你都可以接受，那么用什么湍流模型還值得糾結么？
有人說不對，湍流模型之間有很大的差別不能忽略。這好比鞋子之間有很大的差別，如果光腳和穿鞋都沒有差別了，你的腳還介意鞋子之間的差別嗎？
好的湍流模型
經濟實惠。滿足要求，最節約成本的模型（消耗合理的時間、內存滿足基本精度要求）。
謝謝，不用你花我的錢來告訴我，魚翅泡飯是最好吃的飯，我只想知道我用10塊錢該買什么飯。
好湍流模型的最重要指標，不是精度而是成本。希望以后你對比不同湍流模型一定列出它們所需要的成本。
沒有價格的對比，取勝的永遠是魚翅泡飯。沒有成本的對比，最好的湍流模型一定是消耗最多時間和內存的模型。
總結
我不是個壞人，不想剝奪這個高大上的遮羞布。我只想說，人都是苦蟲，有了這塊遮羞布不用責怪自己，難免失去深入研究的動力，喪失真正的進步機會。
展開 【湍流】fluent中湍流模型的基本原理（2）
值得注意的是，一旦湍流模型被引入動量方程，它們不再攜帶任何關于其推導(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或者子網格應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，通過適當降低LES區域的渦流粘度，而不需要對動量方程進行任何形式的改變。
02—
Boussinesq Approach vs. Reynolds Stress Transport Models
湍流模型的雷諾數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））中的雷諾應力進行適當建模。一種常用的方法是使用Boussinesq假設將雷諾應力與平均速度梯度聯系起來:
Boussinesq假設用于Spalart-Allmaras模型,k-ε模型和k -ω模型。這種方法的優點是與計算湍流粘度相關的計算成本相對較低。在Spalart-Allmaras模型中，僅求解了一個附加的傳輸方程(表示湍流粘度)。k-ε和k-ω模型的情況下,兩個額外的傳輸方程(湍流動能和湍流耗散率,或指定的耗散率)被求解，μ_t作為k和ε或k和ω的函數被計算。Boussinesq假設的缺點是它假設μ_t是一個各向同性的標量,這并不完全正確。
展開 CFD學習：模擬湍流熱通量分布
作者Cadence CFD 解決方案
要點
湍流傳熱機制廣泛應用于工程和技術過程中。
湍流熱對流問題通常使用范式系統或瑞利貝納德 (RB) 對流系統來解決。
對湍流熱通量分布和行為進行建模對于進一步提高熱交換效率和性能非常重要。
大多數流體流動遵循湍流特性。當使用納維-斯托克斯方程以數學方式描述湍流時，通常會遇到一些限制。為納維-斯托克斯方程找到滿足初始條件并在湍流流體流動中繼續保持有效的獨特解是工程師面臨的常見挑戰。
大氣湍流就是一個例子，其中湍流熱通量的混沌性質使得求解控制方程在數學上具有挑戰性。大氣中存在湍流熱通量，即顯熱通量和潛熱通量。顯熱和潛湍熱通量在能量傳輸回大氣中發揮著重要作用。與大氣湍流類似，湍流熱通量存在于多種工程和技術系統中。我們將在本文中探討湍流熱通量。
大氣湍流熱通量
由于湍流熱通量，地球表面以輻射形式接收的能量被傳輸回大氣層。大氣中的湍流熱交換發生在毫米到公里范圍內的運動尺度上。大氣中有兩種湍流熱通量，即顯熱通量和潛熱通量，引起能量傳輸。白天，感熱通量使大氣加熱至 100m 左右。
雖然湍流在大氣和海洋中自然發生，但人類也將湍流納入了一些工程和技術過程中。讓我們在接下來的部分中了解一下湍流熱對流以及如何測量湍流熱通量。
瑞利數、普朗特數、努塞爾數與湍流熱對流的關系
湍流熱對流在工程技術和工業系統中用于傳熱和混合。湍流熱對流問題通常使用范式系統或瑞利貝納德 (RB) 對流系統來解決。以下無量綱數對于描述湍流傳熱和湍流熱對流具有很大的相關性。
瑞利數 -描述自然對流換熱的層流或湍流性質的無量綱量。
展開 
湍流建模|01工程湍流模型（上）
如果對整個渦流尺寸區間的能量進行求和就能得到這個點流動的湍流動能，這就是所謂的能量串級。
湍流渦流是創建在最大尺度渦流的基礎上
湍流渦旋從平均流動中提取能量，因此必須要為流動提供能量，比如：通過壓縮機或泵獲得管流。
隨后能量從平均流動中提取，擴散到大尺度渦流，這些渦流開始相互作用和拉伸，然后尺度越變越小。
在上圖中，渦流尺寸變小，將沿著湍流圖譜不斷下移，最終被分子粘度耗散成熱量。多數情況下，這種熱能非常低，無需擔心損耗過大。
強調：牢記這種圖片，有助于理解許多效應以及湍流中遇到的問題，尤其在設計求解時，大多情況下，對混合流體的影響來自大尺寸的渦流。
展開 ANSYS Fluent 湍流判斷和湍流模型（一）
SST k-ω
包含修正的湍流粘性公式來解決湍流剪應力引起的運輸效果；
文章來源：水木制造
流體力學核心概念：邊界層、層流和湍流
接下來看一下層流和湍流，他們是流體2種不同的流動狀態。
層流，可以理解為流動是分層的，層與層之間不會互相干擾。有時，你甚至很難注意到它在流動。
而湍流，就是不同層之間的流體互相干擾、互相混合，一眼看過去，就是一個大寫的“亂”字。有時稱其為亂流、擾流或者紊流。大部分工程問題都是湍流。
AICFD做了仿真，給大家看一下數值模擬層流和湍流的樣子。
那么一股流體的流動，是層流還是湍流，和什么有關系呢？
1883年，英國物理學家雷諾，做了著名的圓管流動試驗。展示了層流還是湍流，可以用一個無量綱數來判斷：ρvd/μ，也就是后來大名鼎鼎的雷諾數Re。雷諾數Re越大，流動就越容易是湍流。這個公式不展開講，里面v是流速，μ、ρ、d分別是流體動力粘性系數、密度和特征長度，很多情況這三個數是不變的，雷諾數表現出和流體速度正相關。
簡單理解，慢慢流是層流，流快了就變湍流了。而層流不是瞬間變換到湍流，中間過程叫“過渡流動”。層流到湍流之間的變化，專業術語叫：轉捩。再實際工程中首先要估算雷諾數，判斷是層流還是湍流，然后再按照不同的模型去分析和計算。
另外，再補充一點，層流和湍流之間的轉捩，不只和雷諾數有關，還和擾動有關，比如管內流動，管壁不同的粗糙程度會造成不同的擾動。壁面越光滑，層流到湍流就需要越大的雷諾數。
關于湍流，目前人類對它的認識還遠遠不夠。著名物理學家、諾貝爾獎獲得者費曼曾說過：湍流是經典物理學中最后一個尚未解決的重要問題。這一點，從計算流體力學，也就是計算機仿真中也能看感受到。你隨便打開一款流體仿真軟件，包括AICFD，會有好幾個湍流模型讓你去選擇。那應該選哪一個呢？我也不知道，就是根據直覺，不是，經驗去判斷。其實，選擇仿真模型這件事本身，就已經體現出了科學的無奈。因為最準確的湍流計算，就應該是沒有湍流模型。
展開 湍流—跑出自己行車道亂撞的流動
層流是這樣亂成湍流的
所謂層流就是流動與鄰居沒有混合，都老老實實在各自的車道上前行。如果流體世界里有行車道，流體敢壓線跑就有交警開罰單，那么相信我，流體世界會永遠保持層流狀態。
層流就是這樣老老實實在車道里跑?
誘導層流變湍流的經典的特征叫TS波。當前行速度有快有慢，流體產生了換道超車的動力，因此有了與流動方向垂直的橫向流動，很快引起連環的轉彎和碰撞。汽車只能在二維的馬路上換道畫出的是曲線，流體是在三維空間中換道形成的就是曲面軌跡了。 當局部的混亂蔓延到大部分區域，在我們眼中成為一團亂麻，這就是湍流了。
均 勻------->有快有慢---->換車道--->湍流?
誘發流動不均勻，最常見的就是壁面的粘性導致壁面速度為零，與主流速度產生了很大的差異。壁面的流體速度這么低當然不干了，向主流換道想跑快些，主流的受到碰撞又反沖向壁面，于是靠近壁面的流體就被帶著跑快了。
邊界層的層流轉捩為湍流
壁面上的粗糙度也是誘導湍流發生的因素，粗糙度就是壁面有很多細小的凸起和凹陷，這對于流體就是巨大的路障。流體只有繞行而過，難免與鄰居發生碰撞，也許就誘發連環的碰撞，發展為湍流。 當粗糙度小到流體不必繞行，粗糙度才不會誘導湍流發生。
如何保持層流
不讓層流轉捩為湍流，是很多設計師的夢想，因為湍流的摩擦阻力是層流的幾十倍，要想大幅降低阻力最好的辦法就是保持物體的壁面是層流狀態。既然層流變湍流的根本原因是亂換道，有個好方法是在壁面刻上細長的溝槽，等于給流體畫好行車道，不讓它換道，確實可以延遲層流變湍流，降低阻力。
為何又要誘發湍流
湍流也有好處，湍流意味著流體與相鄰的流體發生頻繁的碰撞，雖然會消耗能量，但是更有利于將高速流動與低速流動摻混，可以減小低速流動區域，這就是為什么湍流邊界層的厚度低于層流邊界層。
展開 [Optiwave] OptiSystem應用：考慮大氣湍流的PAM4 FSO系統
OptiSystem應用：考慮大氣湍流的PAM4 FSO系統
受大氣湍流的影響，激光傳輸時會產生光強閃爍、光斑漂移等湍流效應，使系統的誤碼率增加，阻礙了無線光通信技術的發展。
在案例中，我們演示了在OptiSystem中仿真PAM4 FSO系統。系統中我們使用FSO信道，考慮了在大氣湍流中的光強閃爍，然后可通過導入數據來定義大氣湍流的相位。
系統布局如圖1所示。
圖1.PAM4 FSO系統布局
FSO信道采用Universal FSO Channel組件，它允許定義弱、中等和強湍流的各種閃爍模型。在組件的Scintillation選項卡下，按圖2所示設置。
圖2.FSO中的閃爍參數設置
FSO信道中我們還可通過導入數據的形式來定義大氣湍流的相位，可按照圖3進行設置。
圖3.在FSO中導入大氣湍流相位
下面我們對比一下導入前后的大氣湍流相位。如圖4（a）為未定義大氣湍流相位，圖4（b）為自定義大氣湍流相位。
圖4.大氣湍流相位
對于不考慮大氣湍流相位以及閃爍影響，圖5顯示了理想傳輸過程的眼圖。圖6為考慮大氣湍流以及閃爍影響眼圖。
圖5.未考慮閃爍以及大氣湍流的眼圖
圖6.考慮閃爍以及大氣湍流的眼圖
展開 CFD理論|湍流數值模擬方法
導讀：湍是一種高度非線性的復雜流動，目前已可以通過某些數值方法對湍流進行模擬，本文對各種數值模擬方法作簡介。
目前湍流數值模擬方法可以分為直接數值模擬方法與非直接數值模擬方法兩大類。
直接數值模擬
直接數值模擬（Direct Numerical Simulation，DNS）就是直接對瞬態的Navier-Stokes方程對湍流計算。由于DNS方法沒有對湍流流動作任何假設與簡化，理論上可以得到精確的計算結果。
但這也意味著必須同時解決整個范圍的空間和時間尺度的湍流，由于湍流是多尺度的不規則流動，這就要求對空間和時間的分辨率需求很高。因此該方法的計算量大、耗時長，依賴計算機內存。
非直接數值模擬
（1）大渦模擬(LES)
為了模擬湍流流動，一方面要求計算區域的尺寸應大到足以包含湍流流動中的最大渦，另一方面要求計算網格的尺度應小到足以分辨最小渦的運動。
大尺度的渦流對平均流動影響較大，各種變量的湍流擴散、熱量、質量和能量的交換以及雷諾應力的產生都是通過大尺度渦流實現；小尺度渦流主要對耗散起作用，通過耗散脈動來影響各種變量。
但是目前，能夠采用的計算網格最小尺度仍比最小渦的尺度大許多，所以無法對渦進行全尺度模擬。
因此大渦模擬應運而生，大尺度渦流通過N-S方程直接求解，小尺度渦流通過亞網格尺度模型，建立于大尺度渦的關系對其進行模擬。
展開 一期一會 | 什么是湍流？
2.耗散
產生湍流的動能通過粘性剪切應力轉換為內部能。大渦流中的能量級聯成剪切力較大的較小渦流，而這些較小的渦流會進一步級聯成剪切力更大的更小渦流。隨著渦流越變越小，動能會作為粘性能進行耗散。
3.動能和粘性能
湍流中的動能是每單位體積的動能量，它代表流動中湍流速度波動的平均能量。由于內部摩擦，流體中的粘性力會將部分動能轉化為熱量，這些轉化的熱量被稱為粘性能。
4.質量、動量和能量傳輸
從事流體力學研究的工程師或科學家都希望了解他們所研究的流體流動中的質量、動量和能量傳遞，這對于湍流特別重要，因為其會影響所有傳輸行為的速率。這種傳輸也可以稱為湍流擴散。
如何對湍流進行建模？
工程師使用計算流體力學（CFD）來預測湍流的行為。該數值方法將流態分解為單元，并使用流體能量、質量和動量守恒的控制方程來計算每個單元中的速度、壓力、密度和溫度。
CFD軟件解決方案，如Ansys Fluent流體仿真軟件和Ansys CFX CFD軟件等，可通過首先確定流體何時從層流轉變為湍流來預測湍流。當湍流存在時，求解器使用各種簡化方程來計算湍流引起的速度、壓力、溫度和渦流。
工程師可以對混合不同材料或極其復雜的多物理場模型進行相對簡單的流動仿真，其中包括層流和湍流對光學、熱和結構性能的影響。在選擇湍流模型之前，成功的關鍵是準確捕獲幾何結構，建立正確的邊界條件和約束條件，定義材料屬性，并應用恰當的數學模型。當工程師需要預測湍流時，這些模型通常由兩類簡化方程組成。
湍流雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）模型
第一類湍流建模方程是RANS模型。該方法將流量分解為平均流量和波動分量。RANS模型使用經驗研究來估算湍流行為。
展開 
6月25-27日 成都 | Fluent 流體湍流場仿真工程應用
湍流模擬的難點及處理思路
4. 邊界層理論
湍流模擬
了解湍流模擬中的重難點問題
1. RANS模型及尺度解析模型
2. 渦粘假設
3. 湍流模型的選擇策略
4. 幾種最常用的湍流模型介紹
5. 壁面函數及壁面模型介紹
6. 轉捩模型介紹
Fluent湍流仿真
掌握利用Fluent模擬湍流問題的一般流程
1. 邊界層網格生成實踐
2. 壁面函數對比實踐
3. 湍流模型相關UDF編寫
4. 湍流計算收斂性控制
5. 湍流后處理實踐
案例練習
利用案例掌握湍流模擬中的設置流程及調試技巧
案例1：平板邊界層計算
案例2：管道壓力降計算
案例3：翼型升阻力計算
案例4：彎管二次流計算
案例5：圓柱繞流計算
案例6：旋風分離器計算
案例7：翼型轉捩計算
案例8：湍流后處理練習
培訓收費有兩類，請您按自身需要靈活選擇。
收費標準
A類：3980元/人（含結業證書一本）
B類：5580元/人（含培訓費、證書費）
證書：可選擇申報AXKG 全國職業技能考試鑒定中心頒發《CAE 仿真應用工程師》職業技能等級證書；費用 1600 元/每人，可作為在本行業專業崗位職業能力考核的證明，也在崗位聘用、任職、定級和晉升職務中作為重要依據。
展開 三十三、Fluent邊界條件湍流參數設置詳解
邊界湍流參數設置</strong></p><p> </p><p><strong>3.1 湍流強度Turbulence Intensity I</strong></p><p><br></p><p>湍流強度I被定義為脈動速度的均方根與平均流速的比值（--高等流體力學 歸柯庭 鐘文琪 編）。對于內部流動，氣流充分發展時公式如下：</p><p><br></p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy9N2FhkJ4HWNaJA2DPQMlmMz9DSmGbwyQ5lnhrMicD0UPRO91DREKS2iaUgGoTyRqICmticJZrzI64NA/640?wx_fmt=png"> </p><p>其中，u'表示湍流脈動速度的均方根，uavg為平均速度，ReDH表示以水利直徑為特征長度的雷諾數。通過這個公式，我們能夠估算出湍流強度，<strong>當ReDH=50000時，湍流強度I=4%</strong>。</p><p><br></p><p>對于內部流，如果上游的氣流沒有充分發展，沒有受到干擾，可以使用低湍流強度。<strong style="color: rgb(0, 0, 0);">所謂低湍流強度是指湍流強度小于或等于1%，而大于10%的湍流強度被稱為高湍流強度。默認的湍流強度為5%。</strong></p><p><br></p><p>我們設置這個參數時，<strong>可以先大概估算出工況的雷諾數，進而估算出湍流強度</strong>。或者自己能夠<strong>確定工況湍流水平的高低，然后大概給出湍流強度即可</strong>。
展開 CFD學習：尾渦湍流
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
尾渦湍流是飛機在大氣中移動時產生的擾動空氣的旋轉模式。
尾渦湍流會導致阻力增加、升力降低，并產生橫搖和俯仰力矩。
CFD 仿真可以深入了解尾渦湍流的復雜流動模式，并幫助設計人員提出緩解策略以減少其對飛機性能的影響。
尾渦湍流是飛機在飛行過程中觀察到的常見現象。當飛機向前移動時，機翼將空氣向下推，形成空氣的旋轉模式——尾渦，尾隨飛機后方。產生的渦流很強，會對附近飛行的其他飛機造成湍流影響。因此，尾渦湍流的研究對于制定確保飛機安全和效率的策略至關重要。
在本文中，我們將討論飛機中的尾渦湍流以及計算流體動力學 (CFD) 在深入了解此類湍流效應背后的物理學方面的作用。
尾渦湍流及其影響
在飛機中，機翼產生升力時會產生尾渦湍流。在飛行過程中，機翼的上表面和下表面之間存在壓力差，從而使飛機保持在空中。空氣在機翼上表面流動得更快，與機翼下表面相比產生較低的壓力。為了平衡壓力差，沿機翼下表面的空氣被向上吸入，圍繞翼尖流動，形成氣團循環模式。這是尾隨飛機后方的 渦流。
由于風和重力，這些渦流或主尾流下沉并遠離飛行路徑。下沉運動導致渦流與周圍空氣相互作用，導致湍流。對于遵循相同飛行路徑或近距離飛行的其他飛機來說，與尾渦相關的湍流可能是一個主要的安全問題。在較小的飛機靠近較重的飛機的路徑的情況下尤其如此，因為機翼產生的升力更大，產生的渦流強度更大。
展開 【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型
注意，由于Spalart-Allmaras模型中沒有計算湍流動能k，所以在估計雷諾應力時忽略了方程4-14（參見上一篇文章【湍流】fluent中湍流模型的基本原理（2））中的最后一項。
02—
湍流粘度模型
湍流粘度μ_t由下式計算：
其中粘性阻尼函數f_ν1為:
03—
湍流產生模型
產生項G_v為：
其中，
C_b1和k是常數，d是到壁面的距離，S是變形張量的標量度量。在ANSYS Fluent中，與Spalart和Allmaras提出的原始模型一樣，S是基于渦量的大小:
其中Ω-ij是平均旋轉速率張量，由
S的默認表達式的對于剪切流，渦量和應變率是相同的。在滯止線等無粘性流動區域，由于應變率引起的湍流生產可以是非物理的，渦度的優點是零。曾有人提出一種替代公式并將其引入ANSYS Fluent中。這一修正將渦量和應變張量的測量結合在了S的定義中:
其中，
平均應變速率S_ij，定義為
旋轉張量和應變張量的增加都降低了渦流粘度的產生，并因此降低了渦流粘度本身在渦流量超過應變速率的區域中的產生。在旋渦流中可以找到這樣的例子，即在純旋轉的渦旋中心附近的氣流，湍流被抑制。
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