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6.湍流模型.ppt

6.湍流模型

switsing
2012-10-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《6.湍流模型ppt》,可适用于工程科技领域

湍流模型湍流模型IntroductoryFLUENTTraining紊流是什么紊流是什么每个输运量(质量,动量,物质的量)在时间和空间中非定常无规律(无周期)波动运动确认的涡流形式来描述湍流漩涡增强的混合(物质动量能量等等)效果流动属性和速度呈现无规则变化在可以计算的涉及紊流的传输机制下的统计平均结果这个特征考虑到紊流模型包括一个大范围的湍流漩涡尺寸(比例频谱)大涡的尺寸和速率与平均流动相似大涡流动从平均流动中得到能量能量从大涡向小涡转移在最小的涡流中紊流能量随着粘性耗散转移为内能流动是否紊乱流动是否紊乱外部流动内部流动自然对流沿着表面沿着障碍物wherewhere其它因素比如自由流动紊流,表面条件,和扰动在低雷诺数下可能导致转变为紊流istheRayleighnumberisthePrandtlnumber紊流结构紊流结构EnergyCascadeRichardson()计算方法总览计算方法总览(RANS)雷诺平均纳维斯托克斯方程模型解总体均值(或者时间均值)纳维-斯托克斯方程所有紊流长度规格在RANS中模拟在工业流动计算中使用最为广泛大涡模拟(LES)解算空间平均NS方程大涡可以直接解出,但是涡比模拟过的网格要小。没有DNS消耗那么大,但是对于大多数的实际应用来说占用计算资源和效果还是太大了直接数值模拟(DNS)理论上来说所有的紊流流动能够由数值解出所有的NS方程来模拟解出尺寸频谱不需要任何模型花费太高!对工程流动不实用DNS在Fluent中不可用现在没有一种简单而实用的紊流模型能够可靠的预测出具有充分精度的所有紊流流动在FLUENT中可用的紊流模型在FLUENT中可用的紊流模型基于RANS的模型-方程模型SpalartAllmaras-方程模型标准k–εRNGk–ε可行k–ε标准k–ωSSTk–ω雷诺德压力模型分离涡模拟大涡模拟RANS模拟–时间平均RANS模拟–时间平均全部(时间)平均能够用于从瞬时流动中取出平均流动属性:Reynoldsaveraged动量方程如下Reynolds应力是由附加未知的平均程序引进的,因此为了封闭控制方程组系统它们必须被模拟(涉及到平均流动属性)波动项时均项Example:完全发展紊流管流速度轮廓瞬时项(Reynolds压力张量)方程封闭问题方程封闭问题RANS模型能够在下列方法其中之一下封闭()漩涡粘性模型(通过Boussinesq假设)Boussinesq假设–Reynolds压力在使用涡流(或者紊流)粘性μT下模拟,对简单湍性剪切流来说假设是合理的:边界层,圆形射流,混合层,管流,等等()雷诺德压力模型(通过雷诺德压力输运方程)在输运方程中模型还需要很多项RSM在大曲率和大漩涡的D紊流流动中更有利,但是模型更加复杂,计算强度更大,更复杂比紊流粘性模型更难收敛计算紊流粘性计算紊流粘性基于量纲分析,μT能够由紊流时间比例(或速度比例)和长度比例来决定紊流动能LT紊流耗散率LT定义耗散率T每种紊流模型计算μT都很困难SpalartAllmaras:解模拟紊流粘性的输运方程标准k–ε,RNGk–ε,Realizablek–ε解关于k和ε的输运方程标准k–ω,SSTk–ω解关于k和ω的输运方程SpalartAllmaras模型SpalartAllmaras模型SpalartAllmaras是一种低耗的求解关于改进的涡流粘性的输运方程的RANS模型在改良形式上,涡流粘性很容易解决壁面附近的问题主要打算使用在轻度分离的空气动力学涡轮机组情况下得到应用,比如机翼上的超音速跨音速流动,边界层流动,等等使得一种新的-方程模型具体化在不需要计算一个涉及到局部剪切层厚度的长度尺寸的情况下为包括有限边界的流动的航天应用特别设计在边界层服从反压力梯度的情况下已经给出了比较好的结果在涡轮机组应用中很流行这个模型相对来说是比较新的对于各种复杂的工程流动没有关于应用的主张不能依赖它来预测同类等方向紊流的减弱k–ε紊流模型k–ε紊流模型标准k–ε(SKE)模型在工程应用中使用最为广泛的紊流模型Robust而且相对精确包括用于可压缩性,浮力,燃烧,等等子模型局限性ε方程包括一个不能在壁面上计算的项因此,必须使用壁面边界条件在流动有强烈的分离下一般表现不好,比如大曲率流线和大压力梯度重正规化群(RNG)k–ε模型k–ε方程中的常数源自使用重正规化群理论包括以下子模型解决低雷诺数下的特异粘度模型源自对紊流PrandtlSchmidt数的代数公式的解析解漩涡修正对更复杂的剪切流来说比SKE表现更好,比如高应变率漩涡和分离的流动k–ε紊流模型k–ε紊流模型Realizablek–ε(RKE)模型术语realizable意味着这个模型满足在雷诺压力上的特定数学约束,与物理紊流流动一致法向应力为正:关于Reynolds剪切压力的Schwarz’不等式:标准k–ε模型和RNGk–ε模型都不是可实现的好处:对平面射流和圆形射流的散布率预测得更加精确也可能对包括旋转,强反向压力梯度下的边界层,分离,和再流通的流动提供出众性能k–ω紊流模型k–ω紊流模型k–ω紊流模型家族得到流行主要因为:模型方程不包括在壁面上没有定义的项因为没有壁面函数它们就不能在壁面上积分对于有压力梯度的大范围边界层流动它们是精确的和robustFLUENT提供k–ω模型下的两个变量标准k–ω(SKW)模型在航天和涡轮机械领域得到最广泛的应用几个k–ω子模型选项:可压缩性效果,过渡期的剪切流修正流动剪切压力输运k–ω(SSTKW)模型(Menter,)SSTk–ω模型使用混合函数对逐渐过渡的从壁面附近的标准k–ω模型到高雷诺数在边界层的外部的k–ε模型包括修正过的用来解决主要紊流剪切压力的传输效果紊流粘性公式大涡模拟大涡模拟大涡模拟(LES)LES非常成功的应用于RANS模型不能满足要求的高端应用比如:燃烧混合外部空气动力学(在非线性体周围流动)在FLUENT中执行:下层网格比例(SGS)紊流模型:SmagorinskyLilly模型配合壁面的局部涡流粘性(WALE)DynamicSmagorinskyLilly模型动能传输分离涡(DES)模型LES在FLUENT中对所有燃烧模型适用基本统计学工具是可用的:时间平均和解变量的RMS值,内置快速傅立叶变换(FFT)在运行LES之前,在“对LES的最优方法”参考指导方针(包括这些建议,对画网格的下层网格模型,数字的,边界条件,和更多的)壁面和近壁面的处理原则壁面和近壁面的处理原则无量纲速度数据来自紊流管和这里显示的边界层流动的广速度:whereyisthenormaldistancefromthewall对平衡紊流边界层来说,邻近壁面的单元在loglaw区域已知速度和壁面剪切压力数据Wallshearstress壁面边界条件壁面边界条件k–ε家族和RSM模型在近壁面区域是无效的,而SpalartAllmaras和k–ω模型对壁面自始至终都有效(提供的网格非常好)我们能够选择其中之一来解决问题壁面函数方法标准壁面函数方法是利用了这样一个事实(对于平衡湍流边界层)loglaw相关性可以提供必需的壁面边界条件(在之前的幻灯片中提到过)非平衡壁面函数方法试图改善高气压梯度分离附着和停滞这些流动的结果相同的法则同样对能量和物质方程也适用好处:壁面函数允许在近壁面区域上使用相对较粗的网格增强壁面处理选项把混合边界模型和两层边界模型结合起来对低雷诺数流动或者复杂近壁面现象很适合紊流模型在内层上得到修正通常需要一个近壁面的解决亚表层粘性的可用好网格(在“内层”中至少有个单元体)第一个网格点的布置第一个网格点的布置对于标准的或者非平衡的壁面函数每个壁面相邻的单元体质心将会被放在loglaw层上对于增强的壁面处理(EWT),每个与壁面相邻的单元体质心应该放在粘性亚表层上EWT能够自动适应放在loglaw层上的单元体在生成网格之前怎样估计壁面相邻的单元体大小:表面摩擦系数可以从经验主义相关性中估计出来:在建立好流动模型之后使用后处理工具(XY图或者等值线图)来仔细检查近壁面网格布置平面:管道:近壁面建模:推荐策略近壁面建模:推荐策略当你不能提供解决粘性亚表层的最高的雷诺数情况下应用标准的或者非平衡的壁面函数(Re>)解决粘性亚表层问题少有收获。选择核心紊流模型更加重要。在分离重附着或者冲撞流动中使用非平衡壁面函数你可以考虑使用加强的壁面处理如果:特征雷诺数很低或者如果贴体特征需要解出来物理和贴面网格在y在大部分壁面区域上可能变化很明显试着在过渡层中把或粗或细的网格足够避免与壁面相邻的单元体(<y<)入口和出口边界条件入口和出口边界条件当紊流流动在入口或者出口进入一个区域时(逆流),由于依赖所选的紊流模型边界条件k,ε,ω或者必须定义。直接或者间接的定义紊流参数有四种方式:Explicitly输入k,ε,ω,或者这是唯一允许定义轮廓的方式在用户指南中可以看到它们之间合适的缩比关系紊流强度和长度规格长度规格和包含大多数能量的大涡尺寸有关对于边界层流动:lδ对于网格下游的流动:lopeningsize紊流强度和水力直径和内部流动(管流)理想匹配紊流强度和紊流粘性率对外部流动:<mtm<紊流强度依赖于上游条件:随机入口边界条件对LES和RANS能够使用光谱合成器或者漩涡方法生成对紊流模型的GUI紊流模型选项近壁面处理无粘,层流,或者湍流附加选项BoundaryConditions…Define对紊流模型的GUIViscous…DefineModelsExample#–湍流通过一个钝平面Example#–湍流通过一个钝平面使用四种不同的湍流模型可以模拟湍流通过一个钝平面,单元体方块网格,在翼前缘和回贴位置分层非平衡边界层处理NDjilaliandISGartshore(),“TurbulentFlowAroundaBluffRectangularPlate,PartI:ExperimentalInvestigation,”JFE,Vol,pp–Example#–湍流通过一个钝平面Example#–湍流通过一个钝平面InletOutletWallWallSymmetryExample#–湍流通过一个钝平面Example#–湍流通过一个钝平面湍流动能云图(ms)Example#–湍流通过一个钝平面ExperimentallyobservedreattachmentpointisatxD=预知分离泡沫:Example#–湍流通过一个钝平面SkinFrictionCoefficientCf×SKEseverelyunderpredictsthesizeoftheseparationbubble,whileRKEpredictsthesizeexactlyDistanceAlongPlate,xDExample#–龙卷风湍流Example#–龙卷风湍流,六面体网格单元使用高阶迎风格式在SKE,RNG,RKE和RSM(第二个瞬间关闭)模型中使用标准壁面功能代表高度涡流(Wmax=Uin)Example#–龙卷风湍流Example#–龙卷风湍流预测在漩涡探测仪下m切向速度剖面图Example#–通过正方形棱柱的流动(LES)IsoContoursofInstantaneousVorticityMagnitudeTimeaveragedstreamwisevelocityalongthewakecenterlineCLspectrumExample#–通过正方形棱柱的流动(LES)(ReH=,)Example#–通过正方形棱柱的流动(LES)StreamwisemeanvelocityalongthewakecenterlineStreamwisenormalstressalongthewakecenterlineExample#–通过正方形棱柱的流动(LES)小结:湍流模型指南小结:湍流模型指南成功的湍流模型需要工程判断:物理流动可用计算机资源计划需要准确性转向时间近壁面处理建模程序计算特征值Re和决定流动是否是紊流在生成网格之前估计贴体网格质心y从SKE(standardkε)开始之后改成RKE,RNG,SKW,SST或者VF如果需要的话在附录中检查平台作为初始指南在高度涡流三维旋转流动下使用RSM模型除了低雷诺数流动或者复杂近面物理模型对壁面边界条件使用壁面功能AppendixAppendixRANS紊流模型描述RANS紊流模型描述RANS湍流模型表现和用法RANS湍流模型表现和用法TheSpalartAllmarasTurbulenceModelTheSpalartAllmarasTurbulenceModel一个低消耗的模型解决涡粘度的修正方程问题。涡流粘度来自于参数离壁面很近比k和ε容易解决主要为缓和分离流动的空气动力学涡轮机设计比如机翼附近的超声速跨声速流动边界层流动等等。RANSModelsStandardk–ε(SKE)ModelRANSModelsStandardk–ε(SKE)Modelk和ε的输运方程:其中是工业上最广泛应用的工程紊流模型鲁棒性和合理性都比较精确它含有许多可压缩的子模型,浮力和燃烧等等。对稳固的分离流动、大弯曲流线和变化大的压力梯度效果较差。RANSModels–k–ωModelsRANSModels–k–ωModels属于普通的方程EVM族。Fluent支持Wilcox的standardk–ω模型(),和Menter的SSTk–ω模型()k–ω模型已经得到普遍的认可原因如下:可以不借助于任何阻尼功能综合到壁面对有压力梯度的边界层流动有比较范围广的精确性和鲁棒性。被广泛应用于航天和涡轮机一些子模型的k–ω:压缩性效应,过渡气流和剪切流校正。特定耗散速率,ωRANSModels–ReynoldsStressModel(RSM)RANSModels–ReynoldsStressModel(RSM)试图指出EVM中的缺点。RSM是应用最多的‘physicallysound’模型:各向异性过程效应和传输中的雷诺压力可以精确的被计算出来。RSM对控制方程需要比较多的建模(其中压应力是最关键和有难度的参数之一)但是RSM比方程模型更需要时间和难度收敛。MostsuitableforcomplexDflowswithstrongstreamlinecurvature,swirlandrotation最适合有大弯曲流线、漩涡和转动的维流动TurbulentdiffusionStressproductionRotationproductionPressureStrainDissipationModelingrequiredforthesetermsStandardWallFunctionsStandardWallFunctions标准壁面函数动量边界条件遵循LaunderSpaulding的关于壁面的法则:相似壁面函数适用于能量和组分附加公式考虑到k,ε,和当流动违反假定的条件时影响较小变化大的p或接近壁面的非平衡流动,高度蒸腾和大的表面力低雷诺数和高速三维流动。whereStandardWallFunctionsStandardWallFunctions能量组分非平衡流墙函数非平衡流墙函数非平衡壁面函数标准壁面函数被修正来考虑更大的压力梯度和非平衡流动。对稳健的分离扣压和碰撞流动有效较少依赖于高度蒸腾和大的表面力低雷诺数和高速三维流动。标准和非平衡流墙函数在对所有的k–ε模型方面和Reynoldsstress模型是等价的。进一步的壁面处理进一步的壁面处理进一步壁面处理函数动量边界基于以下混合的壁面法则(Kader)考虑到能量、组分和ω的混合壁面函数Kader的对于混合壁面的法则允许并入附加的物理法则压力梯度效应热(包含可压缩)效应Twolayerzonal模型混合的twolayer模型被用来决定接近壁面的ε范围区域被分为粘度影响区和湍流核心区。基于壁面距离相关的湍流雷诺数。移动边界和解的适应性。高雷诺湍流模型应用于外部边界。简单雷诺湍流模型应用于内部边界。两个区域的e和μT解法都是混合的:进一步的壁面处理对k–ε和RSM模型有效TheEnhancedWallTreatmentoptionisavailableforthe(EWT是单独针对SpalartAllmaras和k–ω模型)TwoLayerZonal模型TwoLayerZonal模型两个区域是靠单元原则进行划分的:湍流核心区粘性相关区y是离最近墙的距离移动边界和解的适应性湍流热传递湍流热传递能量方程产生的雷诺平均数包含一个附加项类似与雷诺应力是一个雷诺热流项是一个各向同性的湍流扩散率假设湍流扩散是通过湍流普朗克数与涡流粘度相关的(可通过用户更改)相似的处理适用于其它的湍流标量输运方程。Menter的SSTk–ω模型背景Menter的SSTk–ω模型背景许多人包括Menter(),注意到:k–ω模型相对于边界层流动的k–ε来说有许多更好的属性和表现。Wilcox初始k–ω模型对于自由流的ω过于敏感Menter的模型就不存在这样的问题。大多数的二方程模型包括k–ε模型,对尾流的湍流应力预计过多,导致对于模型在逆压梯度下的边界层和分离流适应较差。Menter的SSTk–ω模型的主要组成Menter的SSTk–ω模型的主要组成SSTk–ω模型由以下组成:Zonal混合k–ωk–ε方程截取湍流粘度以便于湍流应力都保持在默认的结构相似常数范围内(Bradshaw,)Innerlayer(sublayer,loglayer)Outerlayer(wakeandoutward)Menter的SSTk–ω模型混合方程Menter的SSTk–ω模型混合方程结果混合方程如下::大涡模拟(LES)大涡模拟(LES)湍流旋度中的频谱在NavierStokes方程中是过滤过的:筛选是随网格尺寸变化的旋度比网格尺寸稍小与subgridscale(SGS)模型是无关的稍大的旋度可以直接从数字上解出帅选的瞬时NS方程。修正NS方程NS方程SubgridScaleResolvedScaleInstantaneouscomponent(SubgridscaleTurbulentstress)LESinFLUENTLESinFLUENTLES在一些RANS模型所不能满足的高速终点应用方面取得了很大的成功。例如:燃烧混合外部空气动力(非流线体周围的流动)FLUENT中的执行:Subgridscale(SGS)湍流模型:SmagorinskyLilly模型WALE模型DynamicSmagorinskyLilly模型Dynamickineticenergytransport模型Detachededdysimulation(DES)模型LES适用于FLUENT中的所有燃烧模型据统计工具得到:迭代过程中变化的时间平均数和RMS值,基于快速傅立叶变换(FFT)在运行LES之前考虑“BestPracticesForLES”中的指导(包括网格划分原则subgrid模型,分数,BCs,等等)分离涡流模拟(DES)分离涡流模拟(DES)产生原因对于高雷诺数壁面边界流动,LES在解近壁面区域时显得比较耗费时间在近壁面区域使用RANS对网格的处理要求方面有很好的表现基于SpalartAllmarasturbulence模型的RANSLES混合模型:一方程SGS湍流模型平衡方程中,减少了一个algebraic模型在高雷诺数的外部空气动力流动方面DES与LES具有相同的应用VF湍流模型VF湍流模型它是在大学被PaulDurbin’s小组发展起来的。Durbin认为壁面的正常波动应该对近壁面涡流阻尼产生的阻力有影响要求两个附加的输运方程为解决松弛因子f和参数Requirestwoadditionaltransportequationsforandarelaxationfunctionftobesolvedtogetherwith涡流粘性模型取代了VF对于许多三维低雷诺数和边界层流动指出了方向例如提高了在kε模型所不能预测的喷管和分离流中的热传递功能。但是VF仅仅是一个涡流粘度模型由此产生的一些局限仍然没法消除。VF是FLUENT中一个隐含的附加功能因此需要有些需要CascadeTechnologies单独的注册(wwwturbulentflowcom)随机速度入口边界条件随机速度入口边界条件它在指定真实的湍流速度入口BC来预测精确的下游流动方面被经常使用LES中不同类型的入口边界条件无扰动–入口处不出现湍流波动Vortex方法–湍流模拟在速度场中入口表面的随机因素这种方法中应用入口的湍流量来作为输入值(与RANSbased模型相类似)可以综合分析RANS(k–ε,k–ω,andRSMfields)生成的各向异性和不同种类的湍流结果可以应用于RANSLESzonalhybrid方法TimeAveragedCoherentRandomInstantaneousLESDES中的初始速度场LESDES中的初始速度场速度场中的初始条件不影响静止统计算法尽管如此在速度场入口设置合理的数值可以减少达到定常解的收敛时间这种合成方法可以被用来设置双重的在速度场顶端的湍流速度入口在输入这种合成方法时应用定常的RANS(k–ε,k–ω,RSM,etc)方法通过TUI命令比较容易得到:solveinitializeinitinstantaneousvel

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