几种湍流模型及其在FLUENT中的应用

38 几种湍流模型及其在FLUENT中的应用 几种湍流模型及其在FLUENT中的应用 任志安。 郝点谢红杰 (中国石油大学(华东)机电工程学院) 摘要 湍流是一种非常复杂的非稳态流动，目前尚未找到对各种流动情况都十分有效的模 型。重点阐述了几种常用的湍流模型，并分别选用这几种模型对二维离心式鼓风机的空气流 动进行了数值模拟。结果显示， 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 K一占湍流模型收敛最快。说明对于二维简单的充分发 展的湍流运动，标准K一占湍流模型更适用。 关键词 湍流模型FLUENT数值模拟 O引言 湍流是一种非常复杂的非稳态三维流动，在湍 流中流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等 都是随时间与空间而随机变化的，是个随机的非线 性过程，因而到目前为止，尚无完善的理论。从物 理结构上说，可以把湍流看成由各种不同尺度的涡 旋叠合而成，这些涡旋的大小与旋转轴的方向分布 是随机的⋯。目前工程上对湍流流动的数值计算 方法主要有直接数值模拟、大涡模拟、雷诺时均方 程法。其中应用最多的雷诺时均方程法是对J7、r—Js 方程作时间平均，再通过时均后的控制方程对湍流 进行计算。为了使湍流的平均雷诺方程封闭，建立 了不同的湍流模型。本文将重点介绍其中的标准 K一占湍流模型、RNG，c一占湍流模型、Realizable ，c一占湍流模型以及雷诺应力方程模型(RSM)。 1湍流模型 1．1标准K—s湍流模型 标准，c一占湍流模型是由Launder和Spalding 于1972年提出的，是个半经验公式，主要是求解 湍流动能K方程和湍流耗散率占输运方程，并建立 起它们与湍流涡粘系数“的关系。，c方程是个精确 方程，占方程是个由经验公式导出的方程。，c一占模 型假定流场是完全发展的湍流，流体分子之间的粘 性可以被忽略，因而标准K一8模型只对完全湍流 的流场有效。 ·任志安，男，1984年生，硕士研究生。东营市。257061。 标准，c一占模型的方程如下： 湍流动能方程(K方程) a(色，c)。t，(pKUi) Ot 1。 Oxi 2毒[(肛+丛or)"亟c3xjlJ+GK+G“节一yM+SK(1) 耗散方程(占方程) a(色占)．a(pst／,i) T a￡ a戈j 2丢[(p+瓮)毫】+ct。詈(G。+cs^) 一c：护等+s。 (2) 式中 C"C2。和C3。——经验常数，C。。=1．44， C2。=1．92，C3。=0．09 盯小or。——湍动能，c和耗散率s对应的 Prandtl数，盯。=1．0，矿。=1．3 S。、S。——用户定义源项，可根据不同情况定 “——湍流涡粘系数，1a,。=pC。，c2／占 G。——由于浮力而引起的湍动能，c的产生项 yM——可压湍流中脉动扩张项 G。——由于速度梯度引起的应力源项， G。=-p“’iH7j(Oujlaxi)，经过模化后， 得：G。=／z。s2，其中，S--"v俩ijSij， s。可1idui+詈) 万方数据 《化工装备技术》第30卷第2期2009年 39 1．2 RNGK一占湍流模型 RNG，c一占湍流模型是由Yakhot和Orzag提出 的。在该模型中，通过在大尺度运动和修正后的粘 度项体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动有系 统地从控制方程中去除。所得到的K方程和占方 程，与标准的K一占方程非常相似‘2J： 曼(应基2．—19(pK—ui) Ot Oxi =毒∞批差)+G。““一胪一yM心。(3) 盖(p占)+去(舢i) =蠹(a批薏)“之詈(G。+C3,G“) 一C2护詈一R。+S。 (4) 式中，“=M+Ⅱi，a。=a。=1．39，c之=Cl。一掣，7／0=4．377,卢-o．眦，叼=(翘。 ·Eli)1尼詈一=丢(垫oaxj+孙 与标准K一占模型相比，RNGK一占湍流模型 的最大特点在于占方程产生项的系数c0的计算中 引入了主流的时均应变率Eijo这样在RNGK一占 模型中c,-的值不仅与流动情况有关，而且在同一 问题中也是空间坐标的函数。RNG，c一占模型考虑 了流动中的旋转及旋流流动情况，可以更好地处理 高应变率及流线弯曲程度较大的流动。 1．3 RealizableK一占模型 Realizable，c一8模型是由ShihTH等人在1995 年提出的。在该方程中，关于，c和占的输运方程如 下所示： 景(p，c)+未(删j) 2爿(¨“眠J1+GK+Gb-PC-yM蝇(5) 盖(胪)+未(舢；) =爿(肛+∥t',／眠a占J1啊一如 一pCz孑忑+ct。专c，。G“+5。(6)K+、，ue K Realizable，c—s湍流模型中的，c方程与标准，c 方程相似。但湍流粘性公式的常数不同。使得模型 满足现实性条件；而占方程却很不相同，方程中 源项不再与K的生成项G。有关，雷诺应力项不出 现在该方程中，这有利于代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 不同尺度涡间能量谱 的传递。RealizableK一占模型可以有效地用于各种 不同类型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流，包含 射流和混合流的自由流动，管道内流动、边界层流 动以及带有分离的流动等。 1．4雷诺应力方程模型(RSM) 雷诺应力方程模型(RSM)实质就是根据时均化 法则，直接构建表示雷诺应力的输运方程，通过对 输运方程中新产生的未知项分别进行模化，从而构 成封闭方程组(具体数学公式省略，详见文献[3])。 尽管RSM模型比K一占模型应用范围广、包含 更多的物理机理，但它仍有很多缺陷。计算实践表 明，RSM模型虽能考虑一些各项异性效应，但并 不一定比其他模型效果好，在计算突扩流动分离区 和计算湍流输运各项异性较强的流动时，RSM模 型优于双方程模型，但对于一般的回流流动，RSM 的结果并不一定比K一占模型好。 2各种湍流模型在FLUNET中的应用 问题描述：二维普通离心式鼓风机，如图1所 示。 图1计算模型 风机叶片 长135mm) 图2模型网格划分 该鼓风机共32叶片，每个叶片翼长13．5ram。 万方数据 图3标准K—g湍流模型残差曲线 。咚耋j一： 图4 Real．啷bleK--s模型计算残差曲线 80 图5 RNGK一占湍流模型计算残差曲线 图8速度矢量分布 压壳．，种躯黼m颂雌肼刺钳唰靠虎涕蛰桩涡转 涮 ，腐下悄响远0 簪影于刚洲大许口显象壳度巩涡速离于体分由气 生 。口挺匀出有均片没很叶都都．，中分部 万方数据 滚动轴承故障智能诊断技术的研究 分类，BP网络就可以作为轴承故障状态的分类器， 并且能有效的进行模式识别和分类，完成智能诊 断。笔者应用BP神经网络对轴承故障的智能诊断 技术进行了研究，采集了大量的数据样本，基本包 含了被测轴承的各种状态，因此取得了较好的结 果。当然BP神经网络也有其自身的局限性，但可 以通过改进算法，增加和丰富样本数量等方法加以 解决。因此，BP神经网络是一种针对滚动轴承很 有效的智能诊断方法。 参考文献 [1] 梅宏斌．滚动轴承振动监测与诊断[M]．北京：机械工业 出版社，1995． [2]严新民，马建仓，罗磊．BP神经网络在滚动轴承早期故障诊断 中的应用[J]．机械科学与技术，1996，15(3)：464—467． [3] 王平．滚动轴承在线智能诊断仪[J]．轴承，2003，9：35—38 [4] 周志华，曹存根．神经网络及其应用[M]．北京：清华大 学出版社，2004． (收稿日期：2008—10—13) -*_{卜*_嘞_卜秘啦_卜*_哳_卜*_书_卜_稍—*—*伽*_卜*_悱*一*一*书*删*—*—佟*_*_卜}*—啊～*—捧嘶_卜*廿* (上接第40页) 与实际相吻合。综合来看，对于二维简单的充分发 展湍流问题，标准，c一占湍流模型具有更易收敛、 模拟结果可靠等优点。 3 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 模型的要求是在满足一定预测精度的前提下，使用 方便，计算简捷Ⅲ。因此，今后对工程湍流问题 的研究的主要任务就是找出不同湍流模型的适用范 围，使之能够满足不同的工程计算要求。 通过对实际例子的FLUENT模拟计算可知，对 万丐x瓢 于二维简单的充分发展湍流问题，标准K一占湍流 [1] 李福田，倪浩清·工程湍流模式的研究开发及其应用[J]· 模型完全适用，与其他湍流模型比较更易于收敛。 [：】答箸擎．’嚣：毒≥Z≥磊一cF。软件原理与应 目前，湍流模型理论虽在理论严谨性方面不断提 用[M]．北京：清华大学出版社，2004． 高，也能处理一些复杂的流动问题，但由于湍流本 [3] 陶文栓．数值传热学[M]．西安：西安交通大学出版社， 身的复杂性，现阶段还没有找到对任何问题数值模 200L 拟都很好的模型。从工程应用的角度去看，对湍流 (收稿日期：2008—09—24) 书*q H-H洲HHH一 九江石化研发生产改性聚丙烯专用料 针对国内透明聚丙烯市场前景广阔，中同石化股份公 司九江石化公司及时抓住市场机遇，充分发挥研制、开 发、生产一条龙优势，研发生产改性聚丙烯专用料新产 品，发挥中型工业牛产试验生产装置的作用，攻克小试产 品进行工业放大的难关。形成大批昔工业生产改性聚丙烯 专用料的能力，并迅速将科研成果转化为商品行销市场。 2008年，九江石化公司共生产聚丙烯11．32万t，生产膜 料T36F、拉丝T30S等聚丙烯专用料占总产量的80％，不 仅满足了市场需求，而且取得f良好的经济效益，成为企 业新的效益增长点。 九江石化是江西省内唯一集炼油、化肥、化工为一体 的国有特大型石油化工联合企业，具有12万t／a聚丙烯 生产能力。改性聚丙烯专用料是树脂材料中应用最为常见 和活跃的品种。聚丙烯通过化学改性、反应注射成型等多 种方法，赋予材料高透明、高强度等多种优异的性能，改 性聚丙烯专用料技术含量、产品附加值、性价比都很高， 利润空间也较大。九江石化公司根据市场需求，不断创新 在研发聚丙烯々用料新产品上下工夫，重点研发了医用透 明聚丙烯专用料、耐辐射聚丙烯专用料、高耐热透明聚丙 烯专用料、高刚性聚丙烯专用料、导电性聚丙烯专用料等 系列产品。 九江石化公司技术中心以“科技成果转化为生产力， 为企业创造经济效益”为己任，充分发挥中型工业生产 试验生产装置的作用，加快了科技成果转化步伐。科技人 员集思广益，不断克服实验室小试成果到中型工业生产试 验过程中出现的技术难题，成功实现了科技成果向市场产 品的转换。研发的透明聚丙烯(PP)专用料产品以均聚聚 丙烯为主要原料，系统地研究了成核剂、稳定剂、降解剂 等对产品生产工艺和性能的影响，产品符合国家医药标 准。产品的透明性、耐热性达到了国内同类产品的先进水 平，产品的耐辐射性能超越了目前国内传统的耐紫外线和 电磁波辐射，达到国内领先水平。此外，该产品生产工艺 简单，成本低，可替代同类进口产品；投入市场用户反映 良好，具有显著经济效益和社会效益。 几年来，九江石化公司先后成功研发生产出市场发展 前景看好、附加值高的医用透明聚丙烯、耐辐射透明聚丙 烯、高耐热聚内烯和高刚性聚丙烯专用料等多种牌号系列 新产品。具有优良的透明度和光泽度，较高的热变形温 度，易成型、易加工，物理机械性能好，用其加工生产的 医用注射器，晶莹剔透，能耐1射线，因其外观漂亮、安 全性能更高而受到厂家的好评。产品质量性能获得了用户 的广泛认町，并通过了江西省药检所的生化性能检测，产 品投放市场后供不应求，畅销江西、江苏、湖北、福建、 浙江等地。 (汪学峰) 万方数据 几种湍流模型及其在FLUENT中的应用 作者： 任志安， 郝点， 谢红杰 作者单位： 中国石油大学(华东)机电工程学院,东营市,257061 刊名： 化工装备技术 英文刊名： CHEMICAL EQUIPMENT TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2009，30(2) 引用次数： 0次 参考文献(3条) 1.李福田.倪浩清 工程湍流模式的研究开发及其应用[期刊论文]-水利学报 2001(5) 2.王福军 计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用 2004 3.陶文栓 数值传热学 2001 相似文献(10条) 1.期刊论文 贺荣.龚曙光.李纯.陈敏 基于Fluent的水冷板式散热器数值模拟与试验研究 -流体机械2010,38(2) 对水冷板式散热器进行了理论计算,并对其物理模型进行合理的简化处理,利用Fluent软件,采用SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型,通过求解三维N-S方 程和能量方程模拟了散热器的散热过程.最后进行了试验研究, 试验测试和理论计算、数值模拟三者数据基本吻合,说明数值模拟方法能真实反映水冷散 热器内部的复杂流动,为散热器的设计和改进提供理论依据. 2.学位论文 黄滢 基于FLUENT软件的建筑物风场数值模拟 2005 超高、大跨度和轻质建筑物中，结构对风作用的敏感性大大增强，风荷载成为此类建筑物控制设计的主要荷载之一。如何计算风对建筑物的作用已 成为理论与工程界关注的热点问题。风对建筑物的作用属于复杂钝体绕流问题，建筑物周围的风流场是十分复杂的湍流场，充满了分离、回流、旋涡等 一系列复杂的运动形式。理论方法还难以解决这一复杂的流动问题，而试验研究又存在着费时、费力、花费较高及适用性不强等问题。随着湍流模型的 不断发展和完善、计算机软、硬件的飞速进步及计算技术的迅速提高，用计算机模拟风洞试验的技术日趋成熟，已逐渐成为结构风工程研究的最有力手 段。本文正是利用这一方法对建筑物周围风场进行研究以得到风对建筑物的作用。本文阐述了计算风工程的基本理论和计算方法，推导出了三维稳态二 阶迎风格式下控制方程的离散方程。对建筑物周围风场数值模拟时涉及到的计算流域确定、网格划分、边界条件选取、参考压力位置确定、湍流模型选 择、求解参数设置等问题进行了深入研究，对选用方法、原则提出了有益建议；利用计算流体动力学软件FLUENT，对某大型复杂三维建筑物考虑周围建 筑物气动干扰作用的情况进行了周围风流场模拟，详细比较了结构各部分的计算平均风压值与风洞试验值，利用软件所得数据推导换算得到的计算均方 根风压系数值与风洞试验值进行了比较，最后详细分析了计算值与试验值间存在差别的原因。通过具体工程分析表明数值模拟是可靠的，采用计算流体 动力学方法进行建筑物风荷载的计算是可行的。 3.期刊论文 熊莉芳.林源.李世武.XIONG Li-fang.LIN Yuan.LI Shi-wu k-ε湍流模型及其在FLUENT软件中的应用 -工业加热2007,36(4) 由于流体湍流运动机理和规律的复杂性,目前尚未找到对各种流动情况都十分有效的模型.不过,工程上应用最广泛的是k-ε两方程模型.应用k-ε两 方程模型通过对某管道湍流稳态的模拟并与理论分析比较,以及对某空气管道非稳态的流固耦合问题进行数值模拟,结果证明k-ε湍流模型对于内部的稳 态或非稳态的充分发展湍流都很适用,再结合在壁面附近区域采用有效的壁面函数法,可以得到令人满意的结果. 4.学位论文 路艳斌 基于Fluent软件对旋风除尘器内天然气的压力、温度分布分析 2009 为了分析不同型式旋风除尘器的流场特点及其几何参数对流场的影响，采用CFD软件--Fluent中的RNGk-E湍流模型对不同型式旋风除尘器的温度、压 力和速度场进行了模拟，模拟结果表明：单进口旋风除尘器简体空间的流场存在一定的非轴对称性；旋风除尘器流场的非轴对称性是由于其入口结构不 对称产生的，其主要特点是沿轴向气流的旋转中心与旋风除尘器的几何中心不重合；在靠近切向进口型除尘器分离筒体中心位置处出现了小的旋涡；进 口流角度对流场有一定影响；温度场变化不大；旋风除尘器入口段为工作危险区。通过对旋风除尘器内流场模拟计算，得到了对其实际操作很有价值的 认识与结论，并为指导旋风除尘器的设计、改进及后期除尘器可能出现的问题提出了建设性 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 5.期刊论文 刘臻.史宏达.刘芸.LIU Zhen.SHI Hong-da.LIU Yun 应用Realizable k-ε湍流模型的振荡水翼绕流数 值模拟研究 -哈尔滨工程大学学报2008,29(6) 采用计算流体力学软件Fluent提供的Realizable k-ε湍流模型计算了振荡水翼的绕流问题,利用有限体积法求解雷诺平均N-S方程,空间离散应用二 阶迎风格式,速度-压力耦合格式为SIMPLEC格式;为了验证该数值格式及湍流模型,计算了文献中的算例并做了对比;考察了不同参数对振荡水翼周围流场 及受力特征的影响,研究表明在一定水翼攻角条件下,水翼振幅及振荡频率均对振荡水翼的涡结构产生发展及其受力特征具有明显的影响. 6.学位论文 邢子鹏 长输管线在线焊接过程燃气的流动及传热模拟研究 2005 随着城市燃气应用范围不断扩大，用气量不断增加，国家把发展天然气长输管道列入全国重点基础建设项目。天然气长输管道由于受到自然或人为 因素的干扰不可避免要发生泄漏，产生极为不利的影响。在燃气管道维护过程中套管在线焊接技术，以其工程造价小，工期短而颇引人注目。在焊接过 程中，一方面管内有可燃介质流动，增加了焊接过程的难度和危险性；另一方面管道受热，受热部分的管段将变软，承压下降，可能导致管道的断裂而 发生严重事故。因此，对该技术的研究是迫切需要的，在线焊接过程中管道内的燃气流动和传热分析，将对以上问题，提供必要的理论支持。 本文基于流体力学、传热学理论和燃气长输管道数学模型，建立埋地和架空管道在线焊接过程的天然气管流模型，包括：连续性方程、动量方程、 能量方程、焓方程和天然气状态方程，并对其在埋地和架空两种条件下分别进行直管和弯管的流动传热分析。针对燃气在线焊接过程中管道内流动和传 热模型，本文采用有限容积法进行数值离散，并结合了SIMPLE算法和应用广泛的湍流模型对流场进行求解。与传统方法不同的是，数值计算之前采用了 先进的网格生成技术生成计算网格；应用了世界上流行的计算流体力学应用软件——FLUENT进行数值计算求解，从而使得数值计算的时间大为减少。 最后，将FLUENT软件模拟的结果，以哈依燃气长输管道套管在线焊接实验为例，进行验证计算，证明了该模拟方法的可行性，并指出在套管带压焊 接过程中要严格控制温度、满足正压操作(要适当的泄压)和严格控制动火点周围可燃气的含量，进而提出了焊接操作的安全要求。 7.期刊论文 张志伟.刘建军 各种湍流模型在FLUENT中的应用 -河北水利2008(10) 当前大多数工程的湍流流体问题都是应用已有的湍流理论模型得以解决的,FLUENT是专业流体软件中的一种,现已得到广泛应用.此文介绍了湍流理论 模式的发展和各种模型的适用条件,对各种湍流模型在FLUENT中的计算成效进行了分析. 8.学位论文 孙小庚 二维凹槽内加机翼减阻效果的数值分析 2009 当今世界随着经济快速发展，不可再生能源迅速减少，不久的将来可能就会遇到能源危机，怎样提高能源的利用效率，降低能量损耗，已是科学领 域研究的一个主要课题；从计算流体力学的角度开展减阻方面的研究，有着重要的理论意义和实用价值。 本文基于FLUENT软件前处理模块GAMBIT进行几何建模，构建了平板、二维凹槽和二维凹槽内加机翼三种模型，采用了非结构化网格和结构化网格相 结合对流动区域进行网格划分，合理分布网格疏密。然后利用FLUENT为计算平台对问题进行数值模拟，数值模拟中采用了有限体积法对方程进行离散 ，入口边界条件采用velocity—inlet条件，出口边界条件采用outflow条件，对近壁面处理采用标准壁面函数，湍流模型采用标准K—ε二方程模型，速 度和压力耦合采用Simple方法，并进行相关参数设置，较好的模拟了平板、二维凹槽、二维凹槽内加机翼的流场，得到平板、平板开槽、平板开槽加机 翼三种模型的摩擦阻力、速度矢量、压力分布等流场信息。通过对比所得阻力结果探讨了二维凹槽加机翼的减阻效果。并且进一步对机翼在不同位置及 不同机翼俯仰角状态时进行了数值模拟，对其结果进行了对比分析，探讨了随着机翼放置位置以及机翼的俯仰角改变对减阻效果的影响。 本文较好地模拟了平板、平板开槽、开槽后加机翼的流场，得到了压力分布以及阻力系数变化曲线，模拟出了改变机翼和机翼的俯仰角后总阻力的 变化，探讨了加机翼后总阻力的变化规律。 通过对平板、平板开槽、开槽后加机翼进行的数值模拟，以及对机翼摆放位置不同和改变机翼的俯仰角的进行数值模拟和分析得出以下结论： (1)在平板开槽后放入机翼，机翼可以产生反向的推力，从而使总阻力减小，起到减阻的作用。 (2)合理改变机翼的放置位置和俯仰角可以提高减阻效率。 9.学位论文 江叔通 具有移动边界的类车体粘性绕流的数值模拟 2006 随着我国经济高速增长、工业化进程的不断加快，必将不断扩大汽车的购买群体，这为我国汽车工业创造了广阔的发展前景。另外，我国经济的高 速增长推动了高速公路的发展，车辆的行驶速度也在不断提高，因此对车辆风流场的研究变得非常重要。 本文对Fluent进行二次开发，采用动网格技术及标准两方程湍流模型对类车体在侧风情况、穿越隧道及超车、交会过程进行三维非定常数值模拟 ，获得了规律性的认识。 在侧风影响方面，随着侧风角度的增大，车辆迎风面的静压、侧向力先增大后减小，在车辆受到90o侧风时最大。在车辆穿越隧道方面，分析了单、 双车道对风流场、车身表面压力的影响，车辆进入隧道时车辆前端风流场和车身表面压力增大，在隧道内不变，出隧道时减小，但在单车道中呈对称分 布。在车辆超车、交会过程方面，分析了间距和速度对超车、会车过程的影响。在超车过程中，被超车辆的车身表面压力和受到的侧向力随着超车速度 增大而加强，随着间距增大而减弱，但增大超车速度时，侧向力变化显著；被超车车辆在超车车辆前方时横摆趋势增强，与超车车辆同位时侧倾趋势加 大。在会车过程中，随着速度的增大，车辆间的相互作用逐渐加强；随着车辆间距的增大，车辆间距的增大致使车体间相互作用减弱，但由于车辆等速 造成车体间相互作用相等；车身表面压力在交会过程中变化不大，但侧向力变化较大，随着速度的增大，侧向力变化明显，车辆在刚交会时横摆趋势增 大，在车体同位时侧倾趋势加强。 10.期刊论文 江山.张京伟.吴崇健.许清.彭文波.Jiang Shan.Zhang jing-wei.Wu Chong-jian.Xu Qing.Peng Wen- bo 基于FLUENT的90°圆形弯管内部流场分析 -中国舰船研究2008,3(1) 通过使用FLUENT软件的RNG κ-ε湍流模型,对90°大曲率圆形截面弯管内部流体进行三维数值模拟,将数值模拟结果与相关文献实验结果进行对比 ,结果表明RNG κ-ε湍流模型对具有二次流的湍流流动具有较好的模拟,计算结果与实验结果吻合较好. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hgzbjs200902013.aspx 下载时间：2010年5月18日