湍流模擬的案例
CFD理論|湍流數(shù)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(shù)值方法對湍流進行模擬，本文對各種數(shù)值模擬方法作簡介。
目前湍流數(shù)值模擬方法可以分為直接數(shù)值模擬方法與非直接數(shù)值模擬方法兩大類。
直接數(shù)值模擬
直接數(shù)值模擬（Direct Numerical Simulation，DNS）就是直接對瞬態(tài)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(guī)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(nèi)存。
非直接數(shù)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(qū)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(wǎng)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(zhì)量和能量的交換以及雷諾應力的產(chǎn)生都是通過大尺度渦流實現(xiàn)；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(wǎng)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(wǎng)格尺度模型，建立于大尺度渦的關系對其進行模擬。
展開 CFD學習：模擬湍流熱通量分布
它給出了流體中湍流動量交換和湍流傳遞能力之間的相似性。普朗特數(shù)是流體的固有屬性。
努塞爾數(shù) -流體表面發(fā)生的對流換熱可以通過努塞爾數(shù)來測量。努塞爾數(shù)可以表示為流體表面的無單位溫度梯度。
在 RB 對流系統(tǒng)中，普朗特數(shù)和瑞利數(shù)決定流動動力學。此類系統(tǒng)中的湍流熱通量是根據(jù)努塞爾數(shù)來測量的，其對瑞利數(shù)和普朗特數(shù)的依賴性由從實驗數(shù)據(jù)獲得的預因子給出。
模擬湍流熱通量分布
湍流和傳熱在工業(yè)過程中無處不在。例如，在熱交換器應用中，利用了湍流和熱傳輸。在此類系統(tǒng)中，壁的性質(zhì)或紋理影響過程的效率和熱通量分布。
當湍流被限制在固體表面時，邊界層會在壁附近形成。速度邊界層在壁面附近具有零值，并且在流動的核心處達到相當大的值。類似地，溫度從熱（底部）到冷（頂部）溫度變化到流核心的中間溫度。
RB湍流對流中邊界層形成的速度和溫度梯度影響動量分布和熱通量分布。有必要對湍流熱通量分布和行為進行建模，以進一步提高換熱效率和性能。
湍流熱通量傳輸方程是熱交換器系統(tǒng)建模的數(shù)學基礎。根據(jù)流動特性，湍流熱通量傳輸方程中通常存在對流項、擴散項和壓力-溫度梯度項。通過準確地模擬湍流熱傳輸，可以預測所考慮的系統(tǒng)中的平均溫度分布和湍流熱通量分量分布。通過從湍流熱通量模型中獲取知識可以提高熱傳輸系統(tǒng)的整體精度。
湍流熱通量的動力學
與湍流熱通量分布和行為相關的動力學需要對湍流熱傳輸系統(tǒng)進行建模。Cadence 的 CFD 工具可以通過行業(yè)領先的網(wǎng)格劃分方法、強大的求解器和后處理功能，幫助您對動態(tài)流體流動系統(tǒng)中的湍流熱通量分布進行建模。
展開 基于v2-f 湍流模型模擬強自由渦流
本案例基于COMSOL軟件的v2-f湍流模型模擬了旋流器內(nèi)的強渦流運動，仿真結果如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎交流
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(shù)及壁面模型介紹
6. 轉(zhuǎn)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(wǎng)格生成實踐
2. 壁面函數(shù)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(diào)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(zhuǎn)捩計算
案例8：湍流后處理練習
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收費標準
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B類：5580元/人（含培訓費、證書費）
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展開 
后臺階湍流流動模擬
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例介紹了后臺階湍流流動的數(shù)值模擬。臺階高度H，入口距離臺階4H，出口距離臺階30H。
計算域：臺階高度1m，計算域長度為34m，高度為9m
物質(zhì)屬性：密度為1kg/m3，粘度為0.0001kg/m-s
邊界條件：入口速度由profile定義
網(wǎng)格劃分
采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為6800
計算設置
本次計算為穩(wěn)態(tài)計算。
物質(zhì)屬性
計算物質(zhì)設置為空氣，設置它的密度等參數(shù)
湍流模型
選擇無粘流動
邊界條件
入口邊界條件，速度及湍流參數(shù)由profile文件讀入
profile文件下載地址：https://pan.baidu.com/s/1AaFMcgNXo0k8wQKAFqhm9g 密碼: 5is9
出口邊界采用壓力出口邊界條件
計算結果
計算域壓力和速度云圖
計算值與實驗值對比
臺階后壁面上表面摩擦系數(shù)對比圖表
參考文獻
D.M. Driver, H.L. Seegmiller, "Features of a Reattaching Turbulent Shear Layer in Divergent Channel Flow". AIAA Journal,Vol 23, pp. 163-171, 1985
展開 『下載』中科大的Fluent講稿（CHM電子書版本）
作者：劉明侯
FLUENT商用程序可以模擬許多的工程實際問題，包括可壓縮、不可壓縮流動，牛頓流體、非牛頓流體，單相、多相流動，有旋、無旋流動，慣性坐標系、非慣性坐標系下的流動，有化學反應、無化學反應的流動問題等。其生成無結構網(wǎng)格的程序把計算復雜幾何條件下的流動及傳熱傳質(zhì)問題變的簡單。同時，軟件還提供了許多的湍流模型、壁面處理及燃燒、傳熱模型供針對特定問題選擇。用戶自定義函數(shù)也為改進和完善模型，處理個性化問題和給出更合理的邊界條件提供了可能。
本講義以FLUENT5說明書為主要參考資料，介紹了該軟件的基本功能、基本物理模型、湍流模型、湍流模擬的近壁處理及邊界條件，并且對燃燒過程的模擬和用戶自定義函數(shù)做了描述。通過本課程學習，可以掌握和利用FLUENT程序在流體及傳熱傳質(zhì)等領域進行數(shù)值研究。
燃燒模型部分由董剛副教授編譯，方海生同學編譯了用戶自定義函數(shù)。基本物理模型，湍流模型及湍流模擬近壁處理及邊界條件由劉明侯副教授編譯。由于時間非常倉促（一個暑假時間），只能用不完全的內(nèi)容作為計算流體和傳熱傳質(zhì)課程的內(nèi)容。還有些內(nèi)容來不及加入講義內(nèi)，希望以后逐步完善。文字沒有很好地校對，一定會由錯誤、疏漏或不妥的地方，請同學們校正。
中科大Fluent講稿.rar
展開 STAR-CCM+模型實例：模擬簡單彎管流動 ----不同湍流模型的對比
能更好的模擬流動分離和再附著。
不適合于模擬復雜內(nèi)部流動。
elliptic blending RSM model + all y+ treatment
能夠捕捉曲率的影響和雷諾應力的各相異性。
不同湍流模型的影響和計算代價如下圖所示：
湍流模型總結
4. 后處理內(nèi)容
在該案例中，后處理內(nèi)容如下：
管道壓降
管道壓降的最后100迭代步平均值
速度矢量圖線積分卷積
湍流長度尺度（turbulence lengthscale）和湍流粘度比（turbulence viscosity ratio）
RSM模型的雷諾應力云圖
壁面y+云圖
使用field function自定義運動粘度（kinematic viscosity）、積分長度尺度（Integral Length Scale）、泰勒微尺度（Taylor Microscale）、Kolmogorov 微尺度（Kolmogorov scales）：
相應的渦長度尺度如下圖所示：
5. 計算過程
兩方程模型計算600迭代步，并取最后100迭代步的管道壓降平均。
RSM模型基于realizable k-ε收斂的結果再計算600迭代步。
Realizable k-epsilon模型的收斂性如下圖所示：
EB RSM模型的收斂性如下圖所示：
6. 結果分析
下面從幾個方面來對比分析不同湍流模型的結果。
（1） 湍流模型對流態(tài)的影響
? 相比于RSM模型，Realizable k-ε模型模擬的分離位置靠后。
展開 NASA推動CFD 2030愿景的舉措
NASA湍流熱通量實驗的實驗件
8月，NASA啟動了針對各大學和行業(yè)的12個研究項目的談判，以推動在湍流模擬、數(shù)值算法、基準實驗、多學科分析和優(yōu)化方面取得進展，并通過分析建立飛機認證要求。
同樣在今年，參加未來CFD技術研討會的研究人員同意建議更好地利用航空航天CFD社區(qū)內(nèi)基礎學科的進步，并促進利益相關方政府機構（包括美國能源署，能源部和國防部）之間更好的合作。
（航空工業(yè)發(fā)展中心王萍）
VKI 高壓渦輪葉片湍流隱式大渦模擬
1 問題描述和流動條件
對VKI高壓渦輪葉片[1]進行隱式大渦模擬（ILES）,文獻[2]中提供了大量的實驗數(shù)據(jù)。文獻[2]中MUR129的流動情況為沒有來流湍流。流動參數(shù)以SI為單位，雷諾數(shù)和馬赫數(shù)基于等熵出口邊界值：
l 進口總壓：1.849*105Pa
l 進口總溫：409K
l 出口靜壓：1.16487*105Pa
l 攻角：0
l 基于弦長和出口邊界值的雷諾數(shù)：1.16*106
l 等熵出口馬赫數(shù)：0.84
l 普朗特數(shù)：0.713
l 氣體常數(shù)：287.55J/(kg*K)
l 壁面溫度：300K
l 粘性系數(shù)符合薩瑟蘭定律
2 幾何和網(wǎng)格參數(shù)
l 葉片寬度是弦長的16.6%（0.0676m）；
l 粗網(wǎng)格具有169,750個六面體和278,425個棱柱體單元，其中沿葉片展向有35個單元，如圖1所示；
l 網(wǎng)格的平均y +值（來自p2模擬）：3.3；
l 通過將每個單元細分為8個更小的單元生成細網(wǎng)格。
圖1 非結構混合網(wǎng)格
3 計算結果
進行網(wǎng)格加密和變精度（p）研究以評估網(wǎng)格和階次的靈敏度和收斂性。圖2顯示了不同網(wǎng)格密度和求解階次下的紋影分布。這些紋影分布清晰地顯示了聲波、激波，尾跡結構和后緣附近的轉(zhuǎn)棙區(qū)。注意到粗網(wǎng)格上的p2模擬具有比細網(wǎng)格上的p1模擬更高的分辨率，表明p細化在解決非定常流動特征方面比網(wǎng)格細化更有效。也可以看出在粗網(wǎng)上轉(zhuǎn)棙區(qū)還沒有在p2和p3模擬之間完全收斂。粗網(wǎng)格上的p1模擬具有很早的轉(zhuǎn)棙位置，而細網(wǎng)格上的p1模擬具有很晚的轉(zhuǎn)棙位置，p2和p3模擬預測到的轉(zhuǎn)棙位置介于p1粗網(wǎng)格模擬和p2細網(wǎng)格模擬之間。
圖2 不同多項式次數(shù)和網(wǎng)格密度下紋影分布對比圖
圖3顯示了粗網(wǎng)格上不同階次計解結果的時間平均值。
展開 基于離散元仿真軟件DEMms的雙錐水力旋流器-顆粒分離性能分析
在多相流顆粒分離研究領域，精確模擬顆粒運動行為一直是技術攻關的核心難題。兩段錐形水力旋流器作為關鍵分離設備，其底流管直徑與入口速度對分離性能的影響機制復雜，亟需高精度模擬技術予以揭示。基于此，團隊創(chuàng)新開發(fā)氣-液-固三相湍流模擬方法（VOF - RSM - DEM），其中自主研發(fā)的 DEMms 軟件，憑借獨特的算法架構與模擬能力，成為攻克該難題的核心技術支撐。
創(chuàng)新算法架構，實現(xiàn)顆粒運動精準建模
DEMms 軟件基于離散元法構建核心算法體系，深度融合牛頓第二定律與歐拉第二運動定律，為顆粒的平移與旋轉(zhuǎn)運動提供精確的動力學描述。在顆粒與流體、顆粒與顆粒及壁面的交互過程中，軟件通過多物理場耦合算法，實現(xiàn)對曳力、升力、碰撞力等復雜作用力的實時計算。
值得一提的是，軟件引入的隨機跟蹤模型，采用拉格朗日隨機軌道理論，能夠準確捕捉瞬時湍流速度脈動對顆粒軌跡的影響，使模擬結果與實際工況的吻合度大幅提升。通過這種精細化的算法設計，DEMms 軟件成功將顆粒運動模擬精度提升至新高度。
嚴謹驗證流程，確保模擬結果可靠性
為驗證 DEMms 軟件在三相湍流模擬體系中的有效性，研究團隊開展了系統(tǒng)性驗證工作。
以標準旋流器為研究對象，通過網(wǎng)格無關性驗證，確定了最優(yōu)網(wǎng)格劃分方案，有效避免因網(wǎng)格誤差導致的模擬偏差。在與實驗數(shù)據(jù)的對比中，軟件模擬的切向速度、軸向速度與實際測量值呈現(xiàn)高度一致性，壓降和液體分流比的相對誤差控制在工程可接受范圍內(nèi)，分離效率曲線的擬合度也達到理想水平。
這種從算法設計到模擬驗證的全流程技術把控，充分證明了 DEMms 軟件在水力旋流器流體動力學行為及分離性能模擬方面的可靠性與準確性。
深度應用剖析，挖掘分離性能關鍵規(guī)律
依托 DEMms 軟件構建的高精度模擬體系，研究人員對兩段錐形水力旋流器展開深入研究。
展開 【CAE案例】對核反應堆芯 5x5 棒束構型下湍流場的數(shù)值模擬
05 結論
本次對 5x5 棒束構型下湍流場研究顯示：
反應棒陣中摻入較大尺寸的套棒使得流場法向速度不均勻分布。
LES 模型和 EB_RSM 模型在此種構型下得到的結果相近。
本次研究為課題組后續(xù)進行復雜棒束構型下的非定常流動打下良好基礎。
更多資訊可登錄格物CAE官方網(wǎng)站
https://cae.yuansuan.cn/
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湍流-化學作用的噴霧燃燒模擬 | 基于OpenFOAM的FGM模型實現(xiàn)與分析
準確地模擬非預混噴霧自點火和氧化過程以及污染物排放，特別是多環(huán)芳烴物種的演化過程，詳細的化學計算至關重要。
許多TCI模型已被應用于噴霧火焰的建模。例如，輸運概率密度函數(shù)(TPDF)方法、代表性交互火焰面(RIF)、火焰面/進度變量(FPV)模型、火焰面生成流形(FGM) 和建表火焰面模型(TFM)。
在這些湍流燃燒模型中，基于火焰面思想的模型具有計算效率高的特點，因此可以使用詳細的化學反應動力學。火焰面方法的基本思想是，多維湍流火焰可以看作是嵌入在湍流流場中的被拉伸的一維層流火焰(稱為火焰面)的集合。引入混合分數(shù)Z以消除非線性化學反應源項求解的困難。由此，化學可以在混合分數(shù)坐標下求解，然后映射到流場。基于火焰面的模型與化學建表方法相結合，通過將3D-CFD和層流火焰面計算解耦，降低了計算成本。這使得火焰面模型能夠使用復雜化學反應機理，且計算成本相對較低。此外，基于火焰面的模型能夠通過預設概率密度函數(shù)（PDF）有效地解釋TCI現(xiàn)象。只當特征化學時間尺度比混合時間尺度短時，火焰面假設才是有效的，就像在大多數(shù)相關條件下類似柴油的燃燒一樣。
本文使用FGM燃燒模型對正十二烷燃料的ECN sprayA進行RANS模擬。此外，由于傳統(tǒng)觀點認為高溫非預混燃燒受限于混合過程，其進度變量的方差很大程度上依賴于混合物的形成速度，因此進度變量的方差經(jīng)常被忽略。本研究考慮了進度變量的方差，類似于預混系統(tǒng)中進度變量的處理。
本研究的目的是為了增進對自動點火過程的了解，并揭示混合分數(shù)的變化和進度變量對自動點火過程和火焰結構的影響。
1、數(shù)值方法
1.1 氣象模擬
FGM (Flamelet Generated Manifolds) 模型與火焰面方法具有相同的思想，即多維火焰可被視為一維火焰的集合。FGM模型的特征還在于存儲和檢索過程。
展開 基于高精度湍流模擬的葉輪機械設計與優(yōu)化 清華大學蘇欣榮
來源：熱機氣動熱力學與流體機械
波紋管湍流流動FLUENT仿真 ￥299
波紋管結構是熱交換器設備的常用組件，波紋管湍流模擬需要有特殊的網(wǎng)格處理方式。本算例以周期邊界算法為基礎，驗證波紋管湍流仿真結果與實驗結果的對比。
模型主要邊界條件
模型網(wǎng)格
仿真結果，流線圖
與實驗結果對比，x方向速度
大蝦推薦幾本湍流方面的書
中文的:
湍流 上下冊,竇國仁,此人是前蘇聯(lián)的博士,據(jù)說中國拿到蘇聯(lián)正博士的人屈指可數(shù).
湍流 是勛剛,天津大學出版社.偏重于湍流模擬,包括大渦模擬等.
湍流計算模型 陳義良,中國科大出版社.專講湍流模型的
數(shù)值傳熱學 陶文詮.還是比較經(jīng)典的,此人曾在明尼蘇達做訪問學者,和patankar
共事過.學了些東東.西安交大的.
計算流體力學 張庭芳 大連理工大學出版社. 有限差分,有限元,邊界元都講,
很基礎的好書.
此外還有很多,圖書館查查吧.
英文的:
Turbulence J.O.Hinze, 荷蘭的,上下冊,有中譯本,經(jīng)典的湍流教材.
Numerical heat transfer and fluid flow patankar的,不用多說了吧?
有兩種中一本,一是張政的科學出版社的,一是郭寬良的科大出版社的.
另外,springer公司有很多不錯的湍流和CFD方面的英文書,圖書館外文科技
書閱覽室有不少,可以好好看看.
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