四种湍流模型介绍

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1、由于航发燃烧室中的流动特性极其复杂，要想提高数值计算的预测能力，必须要慎重选择湍 流模型。用四种不同的湍流模型对带双径向旋流杯的下游流场进行数值模拟，将计算结果与 实验结果作对比，比较各湍流模型的原理和物理基础，优劣，并分析流场速度分布和回流区 特性。涉及的湍流模型：标准k-湍流模型（SKE）1标准k-&湍流模型有较高的稳定性，经济性和计算精度，应用广泛，适合高雷诺数湍流， 但不适合旋流等各向异性较强的流动。2简单的湍流模型是两个方程的模型，需要解两个变量，即速度和长度。在fluent中，标准 k- 湍流模型自从被Launder and Spalding提出之后，就变成流场计算中的主要工具。其

2、在 工业上被普遍应用，其计算收敛性和准确性都非常符合工程计算的要求。3 但其也有某些限制，如方程包含不能在壁面计算的项，因此必须使用壁面函数。另外， 其预测强分离流，包含大曲率的流动和强压力梯度流动的结果较弱。它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。动能输运方程是通过精确的方程推导得到，耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相 似原型方程得到的。应用范围：该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略，此标准K-模型只适合完全湍流的流动过程模拟。可实现的k- 模型是才出现的，比起标准k- 模型来有两个主要的不同点：可实现的k- 模型为湍流粘性增加了一个公式。为耗散率增加了新的传输方程，这

3、个方程来源于一个为层流速度波动而作的精 确方程。术语“realizable”，意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束，湍流的连 续性。应用范围：可实现的k- 模型直接的好处是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。可实现的k- 模型和RNG k- 模型都显现出比标准k- 模型在强流线弯曲、漩 涡和旋转有更好的表现。由于带旋流修正的k- 模型是新出现的模型，所以还 没有确凿的证据表明它比RNG k-模型有更好的表现。但是最初的研究表明可 实现的k- 模型在所有k- 模型中流动分离和复杂二次流有很好的作用。该模型适合

4、的流动类型比较广泛，包括有旋均匀剪切流，自由流（射流和混合层）， 腔道流动和边界层流动。对以上流动过程模拟结果都比标准k- 模型的结果好， 特别是可再现k- 模型对圆口射流和平板射流模拟中，能给出较好的射流扩张。可实现k-湍流模型（RKE）1可实现k-湍流模型(RKE)较之前两种k-&湍流模型的优点是可以保持雷诺应力与真实 湍流一致，可以更精确的模拟平面和圆形射流的扩散速度，同时在旋流计算，带方向梯度压 强的边界计算和分离计算等问题中，计算结果更符合真实情况，同时在分离流计算和带二次 流的复杂流动计算中也表现出色。但是，在同时静止区和旋转的流场计算中，比如多重参考 系，旋转滑移网格等计算中，会

5、产生非物理湍流粘性，因此在此类计算中应该慎重选用。2可实现Vclft型是近期一出现的.比起掀准卜模堪L可真现卜榄塑为湍谦祐性堆加了一 亍公式、可实现He模和趣为耗做率增加了新的传楡方程*这个方程来源于一牛为銘流速度腸动 而作的梢确方稈、町窘现” -阖您味砖榄取中与甫甫屁力冇关杓册橋足某昨数学限制.与实诃 渍戢的物理悄况和符*如即珀“，苗創g切应力顼的施瓦眩不警式(订订 彌”新准也鬧流 模蚁和麻笊规化辟(RNG ) k-e催流整型并不是可宴现的。可取现(Realisable )总湍流摸岬的 优静在于其能较摘确地预测平面和岡形射说扩敵作用而且它対于施转流动*强逆压棉度的边界 层施曲、流功分离和二次

6、流有很好的丧现1町宾现I穩阳利RG堆模世拉越流线野曲、哉涡和徒转方面比标准仏榄型有里好的去 现。由于町实现肛攢则是新出现的模型，因此理在还没有确歯的证摇表明它比JWObE摸型畜 史好的农现;但是-些刖处表明町真跑Jtp檯熨任加测流动分厲和豎杂一次流方面有根即的件用可宜现出弋権型的一个车足是，在计解能转和胖态潇功区域时不能捉供口然的藹流粘度这 屁同为对宴现*-模也柱定义帶流粘度时苫虑了平均疑度的影响这种额外的旌转彫响C经在单 一廡转墨冬系中得到证宾.而且表现唾好于标准止话模刑 由于这些烽取住把它应用于第車翳 專系统中时需整注意、雷诺应力平均湍流模型(RSM)i雷诺应力模型没有采用涡粘性各项同性假

7、设，在理论上比前面的湍流模式理论精确很多， 直接求雷诺应力分量的输运方程，适用于强旋流。23门需请压力模矍(RSM ),4 FLUENT . RJIVI是就粘细开发的模和 放弃等方性边界嗟度恒设，RWM便徘雷诺平均 bJavicnSlukea力程対闭.榊決关于中的雷堵斥力还有轻敞速率的不揺闭问题：这意喘战 二维流动中加人f 4个方程、而在三飨流动中加人了7个方輕.H能封闭方稈須“由JJ RSM 方抨和収力總楼型碰加严林地号虑了隨毁型弯|tl|.旋涡、赦转和张力抉遽变 化.圍此它对于复杂沌动有亚离的预测滞力，怛也这种预测仅锐限于匀雷诺原力右关閑方稈圧 力张力和耗哉速率被认为屋便只亏阳模型预测梢屢

8、降低的主要国素圉为FLUEMT撓教时RSM授教进行了优化* (f. FLUENT申应用时lM模仪井不总址因为 比简单模型好而崔婕更#的卄第机議源而但從电虑粛诱压力前各向Sn：ElL用RSMRSM幽型的应用包帖飓凤漁如 撚烧室岛連壷转流.廿逍中二观戒铮.尤苴是规雄壶运动.使用 肛理型或be战刑祁不能1F确预测流过秤.此甘只有REM模啞才能展刑强旋流流动的粘确皓果 大涡模拟(LES)（8）大涓模型（LES）湍流流场中起上锌柞用的尼大尺寸的加渦.小尺寸的潢潇主唱引起湍流渤肚的扩曲 理论I. 町以通过旦接数值模IflfDMS丨瀏就模空，偲星在玄际丄輕屮并不可行，它的计算代价应不 实用。传址的沆场计算方

9、法理用Navier-StokctS|J RANS 恋使用此方济模拟时.所有的鬧就流场都町以權拟 理论11LES法的忡算威和梢郦度赴于DNS与KAMH之间 简取地讲. LES榄型是大尺f脸涡世搂术梆而小尺扌漩涡模拟戏解.便用L嘲攬矍的瞰则如下:动就、质跌、倦駐主要由大尺州it満传输，大润隹流动中起主导帶用它的主罂由沆对的儿何怵和边界条件乗桃皇小隅不超主计作用（尺寸上）*悝挂解决内法虫具布通用性=峙权有小涡时.更容易创蹩通用的模型。仏实际匸稈巾便用丈涡模电时.痒需賈務屁旳的网格划井，这武裁很丸的计算代枷I!肘计 豈机鲍件性能大編屉高或再采用并行迄炸时* LEE才可能知于冥珏工鞄计算重整化群RNG

10、k- 湍流模型1重整化群RNGk-&湍流模型可以计算低雷诺数湍流，其考虑到旋转效应，对强旋流计算 精度有所提咼。IlNGJfcv模屉来源于严搐的址计枝术“它和祢准辰e模舉犢厠似.怛堆RKG壮撓取杵一方 程中期r -亍条件从而有敕地握flf 了精復- RNGJU蟆型考虑湍流漩锅，撻高供这方面的 檣度。RNG顼论为淵盧Pwndtl斂擾供丁一牛解析公式.而标准吐左棋显便用的是期户撞供的经 WH.标准晶百模釀是一科髙醤诺数的模中.RNG理论握供了 -个痔虑低奇诺数适动粘性 的解析公式。这些羟或的喷用嵌塩能否正确牡理近堆区域.这些特点便得RNG i 模型比标碓 也:撷整柱蛍广泛的流动中有更高的可信度秤帝吐.在虫嗨觇比强CKKG）牛已淌瞌投也中，瓦卜&方程中的常數由亚幣鋭代检理论徘到.并也 爭低代氏说动效应和険流椽iE的子模唱 亜隼规化群（RMG）上弋潇流模舉住更冬関切谎动、齊 鵡肘切牢的济动.勰流网分离流场合申的预删比愉准左卡舸说栈熨塑4/