Fluent湍流參數(shù)的案例
三十三、Fluent邊界條件湍流參數(shù)設(shè)置詳解
總結(jié)</strong></p><p> </p><p>從3.1到3.9，本文幾乎涵蓋了Fluent湍流邊界參數(shù)設(shè)置的所有內(nèi)容。</p><p><br></p><p>看起來好像有很多參數(shù)需要設(shè)置，但仔細(xì)分析就會發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)大多都不是獨立的。<strong>其中真正獨立的參數(shù)只有兩個</strong>。</p><p><br></p><p><strong>也就是說9個參數(shù)，只要確定其中兩個，其他的參數(shù)都能夠通過公式計算得到。這也是為什么Fluent邊界湍流設(shè)置需要我們設(shè)置兩個參數(shù)。</strong></p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy9N2FhkJ4HWNaJA2DPQMlmMZwTiaicIyjZ8DrJUibDT5OIYhFYL3poWMCAnPPFoVMWYrM0ibTvo8paX1A/640?wx_fmt=png"> </p><p><br></p><p>再次重申一遍，<strong style="color: rgb(249, 110, 87);">大多數(shù)工況下，湍流參數(shù)只需要估計個大概即可，不需要通過精確的計算得到這些參數(shù)---</strong><span style="color: rgb(0, 0, 0);">原因請查看2.2。</span></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p>本文到這里已經(jīng)3000多字，也算是干貨滿滿吧。我希望我的公眾號每篇文章都能將一些參數(shù)設(shè)置的理論說清楚，讓大家設(shè)置Fluent參數(shù)時有所依據(jù)。如果只給出設(shè)置步驟，毫無靈魂。
展開 編寫了一個湍流參數(shù)估計的程序（fluent）
摘要：在流固耦合分析中，通常在邊界條件中，要輸入湍流強(qiáng)度，水力直徑，湍動能，耗散率等參數(shù)。本文開發(fā)了一個小程序，可根據(jù)流體密度，速度，水力直徑，動力粘度來計算fluent的相關(guān)參數(shù)，也可根據(jù)速度，水力直徑和湍流強(qiáng)度來計算fluent的相關(guān)參數(shù)。。
00 界面介紹
在Input Parameters中填入前4個參數(shù)后，點擊開始估算紅色按鈕，則后面8個參數(shù)自動計算并顯示；或者在Input Parameters中填入流體速度，水力直徑，湍流強(qiáng)度（紫色字），點擊開始估算紅色按鈕，則下面6個參數(shù)自動計算并顯示。
01 填入前4個參數(shù)
02 填入紫色字3個參數(shù)
03 部分代碼展示
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(yīng)力引起的運(yùn)輸效果；
文章來源：水木制造
【湍流】fluent中湍流模型的基本原理（2）
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:
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)點是與計算湍流粘度相關(guān)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(shù)被計算。Boussinesq假設(shè)的缺點是它假設(shè)μ_t是一個各向同性的標(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湍流剪應(yīng)力主導(dǎo)的剪切流。這覆蓋了許多流動，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)力張量中每一項的傳輸方程。還需要一個附加的（通常是ε或ω）尺度決定方程。這意味著在二維流動中需要五個附加輸運(yùn)方程，而在三維流動中需要七個附加輸運(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)動的二次流。
展開 
【湍流】fluent中湍流模型的基本原理（1）
在ANSYS Fluent中，有限體積離散化本身隱含地提供了過濾操作:
其中V為計算單元的體積。這里隱含的過濾函數(shù)G(x,x')則是
ANSYS Fluent中的LES適用于可壓縮流和不可壓縮流。然而，為了簡明的表述，下面的理論首先討論了不可壓縮流。
過濾連續(xù)性和動量方程，得到：
其中是分子粘度引起的應(yīng)力張量
對能量方程進(jìn)行過濾，得到:
式中h_s為顯熱焓，λ為導(dǎo)熱系數(shù)。
式(4-12)中的次網(wǎng)格焓通量項采用梯度假設(shè)近似:
其中為次網(wǎng)格粘度，為次網(wǎng)格普朗特數(shù)，等于0.85。
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展開 fluent中的湍流阻尼
因此，需要在界面區(qū)設(shè)置湍流阻尼，才能正確地模擬這種流動。
注意:渦流阻尼只有k-ω模型可用。
添加以下源項到ω方程：
其中，
A_i是i相的界面面積密度；
Δn是單元到界面的法向高度；
β是封閉k-ω模型破壞系數(shù)項,等于0.075；
B是阻尼因子；
μ_i是相i的粘度；
ρ_i是相i的密度。
相i的界面面積密度計算為：
其中，
α_i是相i的體積分?jǐn)?shù)；
|Δα_i|是體積分?jǐn)?shù)梯度的大小。
網(wǎng)格大小Δn是使用網(wǎng)格信息在內(nèi)部計算的。您可以在粘性模型對話框中指定阻尼因子B。阻尼因子的默認(rèn)值為10。
湍流阻尼是可用的對VOF和混合模型。注意，當(dāng)使用非混合相流體模型時，它也適用于歐拉多相流模型。
如果啟用了歐拉多相模型，則可以指定湍流多相模型。如果每相都使用湍流模型,那么ω方程的源項添加到每個相。如果啟用了VOF或混合模型,或歐拉多相模型與混合湍流模型,這時所有相求和作為源項添加到混合水平的ω方程。
展開 【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型
修正后的湍流粘度ν ?的輸運(yùn)方程為
式中，G_v為湍流粘度的產(chǎn)生，Y_v為近壁面區(qū)域由于壁面堵塞和粘性阻尼而產(chǎn)生的湍流粘度的破壞。
σ_ν ? 和C_b2是常量，ν是分子運(yùn)動粘度。S_ν ? 是用戶定義的源項。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(yīng)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(shù)f_ν1為:
03—
湍流產(chǎn)生模型
產(chǎn)生項G_v為：
其中，
C_b1和k是常數(shù)，d是到壁面的距離，S是變形張量的標(biāo)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(zhuǎn)速率張量，由
S的默認(rèn)表達(dá)式的對于剪切流，渦量和應(yīng)變率是相同的。在滯止線等無粘性流動區(qū)域，由于應(yīng)變率引起的湍流生產(chǎn)可以是非物理的，渦度的優(yōu)點是零。曾有人提出一種替代公式并將其引入ANSYS Fluent中。
展開 FLUENT中的“湍流模型”是什么東西？
對于一個湍流模型，即使它預(yù)測某個特定的流動問題很準(zhǔn)確，但是，如果換一個流動，也許就會誤差很大。
關(guān)于上述幾個湍流模型分別適用于計算哪些流動（即湍流模型的選擇問題），在FLUENT的User's Guide中有詳細(xì)的介紹。（在User's Guide中的“Choosing a Turbulence Model”這一節(jié)中的第一小節(jié)“Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) Turbulence Models”）
感謝北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院的研究生田久祾。他閱讀了本文的初稿并提出了很好的建議。
展開 【湍流】fluent中的 Standard k-ω Model
注：以下內(nèi)容來自fluent theory guide
ANSYS FLUENTT中的標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型是基于Wilcox k-ω模型,這包含對低雷諾數(shù)效應(yīng),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(xiàn)的新公式減少了這種依賴性，但它仍然可以對求解產(chǎn)生顯著的影響，特別是對于自由剪切流。
標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型是一種基于湍流動能(k)和耗散率(ω)輸運(yùn)方程的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?也可以認(rèn)為是ε比k。k-ω模型被修正這些年來,產(chǎn)生源項已經(jīng)被添加到k和ω方程,這大大改進(jìn)了模型預(yù)測自由剪切流的準(zhǔn)確性。
01—
標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型的輸運(yùn)方程
湍流動能k和耗散率ω,從以下輸運(yùn)方程得到:
其中G_k表示平均速度梯度產(chǎn)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(kuò)散系數(shù)；
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。
展開 波紋管湍流流動FLUENT仿真 ￥299
波紋管結(jié)構(gòu)是熱交換器設(shè)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(chǔ)，驗證波紋管湍流仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的對比。
模型主要邊界條件
模型網(wǎng)格
仿真結(jié)果，流線圖
與實驗結(jié)果對比，x方向速度
fluent中RNG k-ε湍流模型介紹
02—
模型的有效粘度
RNG理論中的尺度消除過程導(dǎo)出了湍流粘度的微分方程:
其中，
將上述方程積分以獲得有效湍流傳輸如何隨有效雷諾數(shù)(或渦流標(biāo)度)變化的準(zhǔn)確描述，從而允許模型更好地處理低雷諾數(shù)和近壁流。
在高雷諾數(shù)極限下，
由RNG理論導(dǎo)出，C_μ=0.0845，值得注意的是，這個值與standard k-ε中由經(jīng)驗決定的0.09非常接近。
在ANSYS Fluent中，在默認(rèn)情況下，有效粘度采用公式4-39中的高雷諾數(shù)形式計算。然而，當(dāng)你需要包括低雷諾數(shù)效應(yīng)時，有一個選項允許你使用方程4-38中給出的微分關(guān)系。
03—
RNG漩渦修正
湍流一般受平均流中旋轉(zhuǎn)或渦流的影響。ANSYS Fluent中的RNG模型提供了一個通過適當(dāng)修改湍流粘度來考慮渦流或旋轉(zhuǎn)影響的選項。修改后的函數(shù)形式如下:
式中μ_t為采用式(4-38)或式(4-39)計算的不加渦流修正的湍流粘度值。Ω是在ANSYS Fluent中評估的特征旋流數(shù)，α_s是一個旋流常數(shù)，根據(jù)流量是旋流為主還是只是輕度旋流，取不同的值。當(dāng)選用RNG模型時，這種渦流修正對軸對稱流動、旋渦流動和三維流動都有影響。
展開 
CFX和FLUENT湍流之CFX_introduction of turbulence
[forum.simwe.com]1_turbulence_intro_2005.part3.rar
[forum.simwe.com]1_turbulence_intro_2005.part1.rar
[forum.simwe.com]1_turbulence_intro_2005.part2.rar
fluent中standard k-ε湍流模型介紹
這些模型的主要區(qū)別如下：
湍流粘度的計算方法；
控制K和ε湍流擴(kuò)散的湍流普朗特數(shù)；
ε方程中的生成項和消耗項；
Standard k-ε Model
雙方程湍流模型允許通過求解兩個獨立的輸運(yùn)方程來確定湍流長度和時間尺度。Fluent中的standard模型就屬于這類模型，自Launder和Spalding提出以來，一直是實際工程流動計算的主力。它具有很好的魯棒性、經(jīng)濟(jì)性和對大范圍湍流的合理預(yù)測，所以它在工業(yè)流動和傳熱模擬中非常受歡迎。它是一個半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，模型方程的推?dǎo)依賴于現(xiàn)象和經(jīng)驗。
standard模型是基于湍流動能K及其耗散率ε的輸運(yùn)方程的模型。K的模型傳輸方程是從精確方程推導(dǎo)出來的，而ε的模型傳輸方程是通過物理推理得到的，與數(shù)學(xué)上的精確方程相似性很小。
在模型的推導(dǎo)過程中，假設(shè)流動完全是湍流，分子粘度的影響可以忽略不計。因此，standard模型只適用于完全湍流。隨著standard模型的優(yōu)缺點逐漸為人所知，為了提高其性能，對其進(jìn)行了一些改進(jìn)。Fluent中有:RNG模型和relizable模型。
展開 FLUENT 中 V2F 湍流模型應(yīng)用介紹
本文主要參考 ANSYS Fluent V2F Turbulence Model Manual
本文內(nèi)容介紹：
V2F 模型介紹
FLUENT中V2F模型激活應(yīng)用
參考文獻(xiàn)
V2F 模型介紹
能否成功模擬流動分離現(xiàn)象的關(guān)鍵在于能否準(zhǔn)確預(yù)測流動分離角。在這種模擬案例中，雷諾應(yīng)力模型和湍流粘性系數(shù)模型均一定的局限性。湍流粘性系數(shù)模型（例如k-e模型）常常失效，原因在于：對湍動能計算的高估，流線曲率的不敏感性和湍流脈動各向同性假設(shè)。雷諾應(yīng)力模型（RSM）盡管能夠捕捉到k-e模型無法得到的湍流特性，但其本質(zhì)復(fù)雜性使得計算上常常無法應(yīng)用。
V2F 模型是介于湍流粘性系數(shù)模型和雷諾應(yīng)力模型之間的一種模型，基于Durbin的k-e-v2 模型上發(fā)展起來。V2F模型整體方程形式與標(biāo)準(zhǔn)k-e模型相似，但考慮了壁面附近的湍流各向異性和非局域壓力應(yīng)力項。
V2F模型是一種通用的低Re數(shù)湍流模型，因此在固體壁面近壁區(qū)域也適用，因此不需要壁面模型。模型對于流動分離現(xiàn)象模擬較為準(zhǔn)確。
V2F模型基本理論
V2f模型是基于輸運(yùn)方程的四方程模型，對湍動能k，湍動能耗散率e，速度方差率v2和橢圓松弛函數(shù)f。在V2f模型，控制方程如下：
其中
湍流時間尺度T和長度尺度L定義如下：
以上方程中，各個變量命名方式復(fù)合FLUENT常用命名方式，f是橢圓松弛方程的解。V2f模型使用了橢圓算子來類比RSM模型中的壓力應(yīng)力項，橢圓算子是一種修正的Helmholtz算子，通過線性微分算子來處理壁面效應(yīng)。
湍流粘度（渦粘性）定義如下：
FLUENT 中默認(rèn)的參數(shù)數(shù)值如下：
2.在FLUENT中應(yīng)用V2F模型
本節(jié)主要內(nèi)容：
激活V2F模型
定義邊界條件
3.
展開 定常不可壓縮后臺階湍流FLUENT仿真 ￥299
湍流模型一直是CFD計算中非常重要的一部分內(nèi)容，以上圖所示的平板流動為例，勻速流體接觸到平板的前緣，開始形成一個層流邊界層。該區(qū)域的流動很容易預(yù)測。經(jīng)過一段距離后，流場中開始出現(xiàn)較小的混沌振動，流動開始轉(zhuǎn)變?yōu)?em>湍流，并最終完全轉(zhuǎn)變?yōu)?em>湍流。
以后臺階湍流為例，研究FLUENT中提供的湍流模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比，說明湍流仿真中的注意事項。
網(wǎng)格模型
充分發(fā)展湍流入口速度分布，以udf形式給定
速度分布
壁面摩擦系數(shù)，仿真計算結(jié)果對比
收費(fèi)文件列表
