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湍流模型分类.ppt

湍流模型分类

iletc
2013-05-12 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《湍流模型分类ppt》,可适用于工程科技领域

湍流模型的分类湍流模型的分类、SpalartAllmaras模型Overviews、SpalartAllmaras模型Overviews一方程模型假设湍流粘度与脉动的速度尺度和脉动的长度尺度有关用表征速度尺度通过湍动能k方程求解长度尺度l根据经验给出代数表达式。在早期简单的混合长度模型后有各种其它形式的代数涡粘模型出现如BaldwinLomax模型()目前广泛应用的是SpalartAllmaras模型()对有负压梯度的边界层流动有好的预测结果SpalartAllmaras模型主要用于航空领域外部流场模拟同时在涡轮机械中得到广泛的应用。但是不适合用于模拟复杂的内部流场。适用范围适用范围SpalartAllmaras模型实际上是一个低雷诺数模型,需要妥善处理其边界层的粘性影响的区域。可是在FLUENT中,当网格划分不是那么理想的时候SpalartAllmaras模型将实施使用wall函数。在基于粗网格的粗略模拟中湍流计算准确度不是关键因素的时候那SpalartAllmaras模型是很好的选择。 需要注意的是SpalartAllmaras模型相对较新至今还没有就其是否适合所有类型的工程流体给出定论。例如它不能依赖预测均匀、各向同性湍流的衰变。此外单方程模型经常因不能迅速适应长度尺寸的变化而受到批评。如必要时可能会突然从有界流动变为自由流动。在基于波斯尼斯克方法的模型中其中心思想是如何计算涡的粘度Spalart和Allmaras 所提出的模型解决了一个关于湍流运动学粘度的改良型输运方程。优点优点SA湍流模型在目前工程应用特别是叶轮机计算中得到了广泛的应用。SA模型相对于两方程模型计算量小、稳定性好计算网格在壁面的加密程度与零方程模型有同等的量级。另外由于模型的“当地”型在有多物面的复杂流场计算中不需要特殊处理。SpalartAllmaras模型输运方程SpalartAllmaras模型输运方程其中:湍流运动粘度:湍流粘度的增加项:湍流粘度的减少项v:分子运动粘度:用户自定义源项各个系数的由来各个系数的由来d:到壁面的距离小结小结SpalartAllmaras模型属于涡粘性模型这类模型的前提是Boussinesq假设。其核心思想是引入中间变量通过求解中间变量的输运方程获得湍流运动粘性系数。标准k模型标准k模型双方程模型认为湍流可以用双尺度来表征许多学者应用不同的尺度组合来发展双方程模型。年Iaunder和Spalding提出了标准k模型。标准k模型是一个半经验模型把湍流粘度拼和湍动能人及湍动能耗散率联系在一起即:其中v为流体的分子粘性k和分别用它们的输运方程解出其中:湍动能k输运力一程可以精确推导得出湍动能耗散的输运方程通过物理推理和与湍动能方程有类似的机制和公式推导得出:小结(优缺点)小结(优缺点)标准k模型力一法稳定、简单、经济在较大的下程范围内应用有足够的精度包括边界层流动、管内流动、剪切流动。标准k模型的缺点是:难以模拟剪切层中平均流场方向的改变对湍流场的影响不能反映雷诺应力的各向异性特别是近壁湍流不能反映平均涡量对雷诺应力分布的影响。对强旋流、湍流分离流和近壁流等明显各向异性的流动使用标准k模型是不合适的。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robust–FLUENT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。FLUENTvDecemberMenter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,)FLUENTvDecemberMenter的SSTk–ω模型混合方程•结果混合方程如下::标准kω模型标准kω模型标准kω模型是基于Wilcoxkω模型它是为考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播而修改的。Wilcoxkω模型预测了自由剪切流传播速率像尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射因而可以应用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。标准ke模型的一个变形是SSTkω模型它在FLUENT中也是可用的。标准kω模型(equ):标准kω模型的方程在方程中Gk是由层流速度梯度而产生的湍流动能。Gω是由ω方程产生的。Tk和Tω表明了k和ω的扩散率。Yk和Yω由于扩散产生的湍流。Sk和Sω是用户定义的。剪切压力传输(SST)kω模型(equ):SSTK流动方程:方程中Gk表示湍流的动能Gω为ω方程Tk和Tω分别代表k与ω的有效扩散项Yk和Yω分别代表k与ω的发散项。Dω代表正交发散项。Sk和Sω与用户自定义。这个公式与标准Kω模型不同区别在于标准Kω中α∞为一常数雷诺压力模型(RSM)雷诺压力模型种类线性压力应变RSM(Linearpressurestrain)二次压力应变RSMLowRestreeomegaRSM在FLUENT中雷诺压力模型(RSM)是最精细制作的模型。放弃等方性边界速度假设RSM使得雷诺平均NS方程封闭解决了关于方程中的雷诺压力还有耗散速率。这意味这在二维流动中加入了四个方程而在三维流动中加入了七个方程。由于RSM比单方程和双方程模型更加严格的考虑了流线型弯曲、漩涡、旋转和张力快速变化它对于复杂流动有更高的精度预测的潜力。但是这种预测仅仅限于与雷诺压力有关的方程。压力张力和耗散速率被认为是使RSM模型预测精度降低的主要因素。RSM模型并不总是因为比简单模型好而花费更多的计算机资源。但是要考虑雷诺压力的各向异性时必须用RSM模型。例如飓风流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流。如果在进口处准确地描述边界层或者充分发展的湍流很重要的话比较理想的是你通过建立一个外形函数来设置湍流参数。(基于实验数据或者经验公式)如果你有这个外形的解析描述而不是数据点的话你既可以通过建立外形函数文件也可以通过建立用户自定义函数来提供进口的边界条件。雷诺压力模型的设置在湍流说明方法下拉菜单中选择k  并且为湍流动能和湍流耗散率选择合适的外形函数。在雷诺压力说明方法的下拉菜单中为为雷诺压力成分选择合适的外形函数文件。计算成效:cpu时间和解决方案从计算的角度看SpalartAllmaras模型在FLUENT中是最经济的湍流模型虽然只有一种方程可以解。由于要解额外的方程标准ke模型比SpalartAllmaras模型耗费更多的计算机资源。带旋流修正的ke模型比标准ke模型稍微多一点。由于控制方程中额外的功能和非线性RNGke模型比标准ke模型多消耗~的CPU时间。就像ke模型kω模型也是两个方程的模型所以计算时间相同。比较一下ke模型和kω模型RSM模型因为考虑了雷诺压力而需要更多的CPU时间。然而高效的程序大大的节约了CPU时间。RSM模型比ke模型和kω模型要多耗费~的CPU时间还有~的内存。除了时间湍流模型的选择也影响FLUENT的计算。比如标准ke模型是专为轻微的扩散设计的然而RNGke模型是为高张力引起的湍流粘度降低而设计的。这就是RNG模型的缺点。同样的RSM模型需要比ke模型和kω模型更多的时间因为它要联合雷诺压力和层流。

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