Fluent湍流模型

Fluent湍流模型，粘性模型详解 ，模拟方法有直接数值模拟DNS、LES大涡模拟、雷诺时均RANS，欢迎交流。

湍流数值模拟方法

• 直接数值模拟DNS
  • 特点
    • 直接数值求解非稳态NS方程
    • 求解所有尺度的流动
    • 不需要建模
    • 代价非常大！
    • 不适用于工业应用
• LES大涡模拟
  • 特点
    • 求解过滤的NS方程，直接求解一些湍流
    • 比DNS代价小，但依旧需要很巨大的计算资源
    • Fluent中提供，但是依旧不适用于工业应用
• 雷诺时均RANS
  • 特点
    • 求解时均的NS方程
    • 所有的湍流运动被模型化
    • 大部分问题被简化为时均的流动（湍流层面）
    • 有很多可用的不同模型
    • 工业应用最为广泛
  • Fluent中的RANS
    • 一方程模型
      • Spalart-Allmaras
    • 双方程模型
      • k-epsilon
        • Standard
        • RNG
        • Realizable
      • k-omega
        • Standard
        • BSL
        • GEKO
        • SST
    • 转捩模型
      • k-kl-omega
      • Transition SST
      • Intermittency Model
    • 雷诺应力模型
• Detached Eddy Simulation 分离涡模拟
• Stress Blended Eddy Simulation 应力混合涡流模拟

Fluent Viscous Models

• 零方程模型
  • 零方程模型指不使用微分方程，使用代数关系式把湍流粘性系数与时均值联系起来的模型。
  • fluent使用的是最著名的由Prandtl提出的混合长度模型Mixing Length Model
  • TUI命令启用：define/models/viscous> mixing-length
• Inviscid 无粘
• Laminar 层流
• Spalart-Allmaras (1 eqn)
  • 单一输运方程模型，直接解出修正过的湍流粘性；可以使用粗网格
  • 计算量小，对一定复杂程度的边界层问题有较好效果。 计算结果没有被广泛测试，缺少子模型。
  • 应用： 有界壁面流动的航空领域 （需要较好的近壁面网格），不适合求解剪切流与分离流
• k-epsilon (2 eqn)
  • Standard
    • 标准k-ε模型通过求解湍流动能(k)方程和湍流耗散率(ε) 方程，得到k和ε的解，然后再用k和ε的值计算湍流粘度，最终通过Boussinesq假设得到雷诺应力的解
    • 基于两个输运方程模型解出 k 和 ε，包含粘性热，浮力，压缩性选项。
    • 默认的 k–ε模型， 系数由经验公式给出，只对完全湍流有效（高雷诺数）
    • 应用多，计算量适中，有较多数据积累和相当精度。
    • 对于曲率较大、较强压力梯度、有旋问题等复杂流动模拟效果欠缺。对于无滑移壁面、逆压梯度、强曲率流动以及射流流动不精确。耗散率不容易计算。
  • RNG
    • 标准 k–ε 模型的变形，包含选项用来预测涡流和低雷诺数流动。
      • 在ε方程中增加了一个附加项，使得在计算速度梯度较大的流场时精度更高
      • 考虑到了湍流漩涡，因此对强旋转流动计算精度也得到提高
      • RNG理论为湍流Prandtl数提供了一个解析公式，然而标准k-e模型使用的是用户提供的常数
      • RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式
    • 应用：能模拟射流撞击、分离流、二次流、旋流等中等复杂流动。 收到涡旋粘性各向同性假设限制。
  • Realizable
    • 标准 k–ε 模型的变形
      • 带旋流修正的 k-e模型为湍流粘性增加了一个公式
      • ε方程是从涡量扰动量均方根的精确输运方程推导出来的
      • 不足是在计算旋转和静态流动区域时不能提供自然的湍流粘度，因为带旋流修正的 k-e模型在定义湍流粘度时考虑了平均旋度的影响，因此把它应用于多重参考系统中需要注意。受到涡旋粘性各向同性假设限制。
    • 应用：对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测，而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现
    • 在使用默认推荐的SST kk-omega模型不收敛时，可以考虑使用Realizable k-epsilon模型和增强壁面方程
• k-omega (2 eqn)
  • Standard
    • 两个输运方程求解 k 和 ω，包含转捩，自由剪切，压缩性选项。
    • 对于有界壁面和低雷诺数流动性能较好
    • 应用：对于壁面边界层、自由剪切流、的雷诺数流动性能较好。适合于逆压梯度存在情况下的边界层流动和分离、转捩。尾迹流动计算、混合层计算、射流计算，以及受到壁面限制的流动计算和自由剪切流计算
  • BSL
    • 应用：在推荐的SST k-omega模型不收敛时（其他物理模型都正确的前提下），可以使用BSL k-omega模型
  • GEKO
  • SST
    • 标准 k–ω 模型的变形；包含了转捩和剪切流选项。
    • 使用混合函数将k-omega与k-epsilon结合起来；混合函数是为近壁区域设计的，这个区域对标准k-ω模型有效，还有自由表面，这对k-e模型的变形有效。
    • 应用：带逆压梯度的流动计算、翼型计算、跨音速激波计算等。由于对壁面距离依赖性强，因此不太适用于自由剪切流。
• Transition k-kl-omega (3 eqn)
  • 应用：壁面约束流动和自由剪切流可以应用于尾迹流、混合层流动和平板绕流、圆柱绕流、喷射流。
• Transition SST (4 eqn)
  • 在近壁区比标准k-w模型具有更好的精度和稳定性
• Reynolds Stress (7 eqn)
  • 直接求解雷诺平均N-S方程中的雷诺应力项，同时求解耗散率方程，因此在二维问题中需要求解5个附加方程，在三维问题中需要求解7个附加方程
  • 是最符合物理解的RANS模型。避免了各向同性的涡粘假设。占用较多的CPU时间和内存。较难收敛。计算结果对初始条件很敏感，需要高质量的计算网格
  • 应用：用于强旋流。对于复杂3D流动较适用（例如弯曲管道，旋转，旋流燃烧，旋风分离器）
• Scale-Adaptive Simulation (SAS)
  • 不稳定流动区域计算类似于LES，稳态区域计算类似于RANS
  • 应用：分离区域、航天领域
• Detached Eddy Simulation (DES)
  • 近壁面采用RANS，湍流核心区采用LES
  • 应用：外部气动力、气动声学、壁面湍流
• Large Eddy Simulation (LES)
  • 使用sub-grid-scale模拟计算小涡，基于几何计算大涡，将大涡和小涡的速度场分开
  • 近壁面区域计算困难
  • 应用于：热疲劳、振动、船舶设计