Fluent湍流模擬的案例
6月25-27日 成都 | Fluent 流體湍流場仿真工程應(yīng)用
湍流模擬的難點(diǎn)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(diǎn)問題
1. RANS模型及尺度解析模型
2. 渦粘假設(shè)
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(shí)踐
2. 壁面函數(shù)對比實(shí)踐
3. 湍流模型相關(guān)UDF編寫
4. 湍流計(jì)算收斂性控制
5. 湍流后處理實(shí)踐
案例練習(xí)
利用案例掌握湍流模擬中的設(shè)置流程及調(diào)試技巧
案例1：平板邊界層計(jì)算
案例2：管道壓力降計(jì)算
案例3：翼型升阻力計(jì)算
案例4：彎管二次流計(jì)算
案例5：圓柱繞流計(jì)算
案例6：旋風(fēng)分離器計(jì)算
案例7：翼型轉(zhuǎn)捩計(jì)算
案例8：湍流后處理練習(xí)
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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）
注：以下內(nèi)容來自fluent theory guide。
01—
Hybrid RANS-LES Formulations（混合RANS-LES公式）
雷諾平均和空間過濾的概念似乎不相容，因?yàn)樗鼈冊趧恿糠匠讨挟a(chǎn)生了不同的附加項(xiàng)(雷諾應(yīng)力和子網(wǎng)格應(yīng)力)。這將排除比例自適應(yīng)模擬(SAS)、分離渦模擬(DES)、屏蔽渦模擬(SDES)或應(yīng)力混合渦模擬(SBES)等混合模型，這些模型都基于整個區(qū)域的RANS和LES部分的一組動量方程。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(guān)于其推導(dǎo)(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(shù)或者子網(wǎng)格應(yīng)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(dāng)降低LES區(qū)域的渦流粘度，而不需要對動量方程進(jìn)行任何形式的改變。
02—
Boussinesq Approach vs.
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(jì)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(xiàng)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?cái)?shù)，等于0.85。
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三、FLUENT流固耦合
四、FLUENT湍流模擬
五、顆粒DPM離散相模擬
六、FLUENT多相流模擬
七、FLUENT燃燒及化學(xué)反應(yīng)流模擬
八、動網(wǎng)格及旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格應(yīng)用
九、FLUENT UDF/UDS高級應(yīng)用
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展開 【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型
在旋渦流中可以找到這樣的例子，即在純旋轉(zhuǎn)的渦旋中心附近的氣流，湍流被抑制。
旋轉(zhuǎn)和應(yīng)變張量都能更準(zhǔn)確地解釋旋轉(zhuǎn)對湍流的影響。默認(rèn)的選擇(只包括旋轉(zhuǎn)張量)傾向于過度預(yù)測渦粘性的產(chǎn)生，因此過度預(yù)測渦粘性本身。
04—
湍流破壞模型
破壞項(xiàng)為
其中，
C_w1、C_w2和C_w3為常數(shù)，S ?由式(4-20)給出. 注意，上面描述的包含平均應(yīng)變對S的影響的修改也會影響用于計(jì)算r的S ?的值。
05—
模型常數(shù)
06—
邊界條件
在ANSYS Fluent中對Spalart-Allmaras模型進(jìn)行了擴(kuò)展，采用y+不敏感壁處理，自動將所有解變量從其粘性底層公式
混合到相應(yīng)的依賴于y+的對數(shù)層值。
u是平行于壁面的速度,μ_t摩擦速度,y是壁面的距離,k是=馮卡門常數(shù)(0.4187), E = 9.793?；旌闲σ舶ㄖ虚g的過度層 (1<y+<30)。
07—
對流傳熱傳質(zhì)模擬
在ansys Fluent中，利用雷諾模擬湍流動量傳遞的概念對湍流熱輸運(yùn)進(jìn)行了建模。
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(xiàng)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(xiàng),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(jì)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(jì)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(xiàng)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(xiàng)添加到混合水平的ω方程。
展開 FLUENT中的“湍流模型”是什么東西？
原來，FLUENT在計(jì)算湍流流動的時候，并不是直接求解Navier-Stokes方程組。
要理解這個問題，必須先了解湍流運(yùn)動的特點(diǎn)。從下面的湍流射流的視頻可以看出，湍流中存在不規(guī)則的非定常的旋渦運(yùn)動。研究表明，湍流中的這些旋渦運(yùn)動的尺度范圍是非常寬廣的，最大的旋渦與最小的旋渦的尺度之比正比于流動雷諾數(shù)的3/4次方。最大的旋渦從平均流中吸收動能，然后將動能傳遞給小一級的旋渦，小一級的旋渦又將動能傳遞給更小一級的旋渦，就這樣一級一級地往下傳遞，直到動能傳遞至最小尺度的渦時，才被粘性耗散轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋＿@就是湍流中所謂的“能量傳遞的級串原理”。
由于湍流中旋渦運(yùn)動的尺度范圍非常寬廣，直接運(yùn)用Navier-Stokes方程組對它進(jìn)行模擬是非常困難的，特別是高雷諾數(shù)湍流。舉一個直觀的例子，一輛以105km/h行駛的轎車，其前擋風(fēng)玻璃表面的湍流邊界層中的最小渦的尺度約為0.004毫米[3]。試想，如果要對這輛汽車的繞流流動進(jìn)行直接模擬，那么計(jì)算域應(yīng)該包含整輛汽車，而網(wǎng)格尺寸卻又要小于最小渦的尺度，其計(jì)算量簡直是天文數(shù)字，目前世界上運(yùn)算速度最快的超級計(jì)算機(jī)也望塵莫及。
因此，目前在工程中運(yùn)用CFD軟件來模擬湍流時，普遍采用的是雷諾平均的方法，也就是將湍流中的非定常的旋渦運(yùn)動（湍流脈動）取平均運(yùn)算，得到湍流的平均運(yùn)動。從下面的視頻中可以獲得對平均運(yùn)算的直觀理解。
FLUENT在計(jì)算湍流流動的時候，實(shí)際上求解的是湍流的平均運(yùn)動。我們在觀看計(jì)算結(jié)果的云圖時，圖中所顯示的速度、壓力其實(shí)都是平均運(yùn)動的速度和壓力。
但是這帶來一個問題。我們知道，在層流流動中，根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，粘性切應(yīng)力等于速度梯度乘以粘性系數(shù)；這種粘性切應(yīng)力產(chǎn)生的原因是存在分子不規(guī)則運(yùn)動的動量交換以及分子間的吸引力。但是，在湍流流動中，用平均運(yùn)動的速度梯度乘以粘性系數(shù)來計(jì)算切應(yīng)力是不恰當(dāng)?shù)摹?/span>
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(diǎn)之一是解對剪切層外k和ω值的敏感性。雖然在ANSYS Fluent中實(shí)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(yàn)?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(xiàng)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(xiàng)；
以上各項(xiàng)計(jì)算方法如下。
展開 編寫了一個湍流參數(shù)估計(jì)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(jì)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(jì)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(diǎn)擊開始估算紅色按鈕，則后面8個參數(shù)自動計(jì)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(diǎn)擊開始估算紅色按鈕，則下面6個參數(shù)自動計(jì)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 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(yàn)證波紋管湍流仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jì)算。然而，當(dāng)你需要包括低雷諾數(shù)效應(yīng)時，有一個選項(xiàng)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(xiàng)。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(jì)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
三十三、Fluent邊界條件湍流參數(shù)設(shè)置詳解
邊界條件概述</strong></p><p> </p><p><strong>1.1 邊界條件概念</strong></p><p><br></p><p>邊界條件說白了就是求解微分方程的某些附加條件，這些附加條件對計(jì)算邊界做出了要求，比如某個邊界溫度必須為500K，Fluent求解時必須首先滿足這些要求。</p><p><br></p><p>求解任何微分方程都需要給定兩類條件才能求出定解，一類是邊界條件，另一類就是初始條件。</p><p><br></p><p>Fluent恰巧需要用戶給出這兩類條件(實(shí)際上任何數(shù)值軟件如Matlab都需要給出這兩類條件)。</p><p><br></p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy9N2FhkJ4HWNaJA2DPQMlmMoksqiarYia3g2gcIFcX69xUNVFYkus6YERyYGMtlNO7wqAAbgQy3UY9Q/640?wx_fmt=png"> </p><p><br></p><p><strong>1.2 Fluent邊界條件</strong></p><p><br></p><p>Fluent邊界條件類型非常非常豐富，僅僅針對進(jìn)出口邊界，Fluent就提供了12種邊界條件類型。
展開 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(jì)算方法；
控制K和ε湍流擴(kuò)散的湍流普朗特?cái)?shù)；
ε方程中的生成項(xiàng)和消耗項(xiàng)；
Standard k-ε Model
雙方程湍流模型允許通過求解兩個獨(dú)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(shí)際工程流動計(jì)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(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ头匠痰耐茖?dǎo)依賴于現(xiàn)象和經(jīng)驗(yàn)。
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(jì)。因此，standard模型只適用于完全湍流。隨著standard模型的優(yōu)缺點(diǎn)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 