CFD湍流模型使用技巧培训

第三章，湍流模型第一节， 前言湍流流动模型很多，但大致可以归纳为以下三类：第一类是湍流输运系数模型，是Boussinesq 于1877年针对二维流动提出的，将速度脉动的二阶关联量表示成平均速度梯度与湍流粘性系数的乘积。

即：2121x u u u t ∂∂=''-μρ 3－1 推广到三维问题，若用笛卡儿张量表示，即有：ij ijj i t j i k x u xu u u δρμρ32-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=''- 3－2 模型的任务就是给出计算湍流粘性系数t μ的方法。

根据建立模型所需要的微分方程的数目，可以分为零方程模型（代数方程模型），单方程模型和双方程模型。

第二类是抛弃了湍流输运系数的概念，直接建立湍流应力和其它二阶关联量的输运方程。

第三类是大涡模拟。

前两类是以湍流的统计结构为基础，对所有涡旋进行统计平均。

大涡模拟把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通过求解三维经过修正的Navier-Stokes 方程，得到大涡旋的运动特性，而对小涡旋运动还采用上述的模型。

实际求解中，选用什么模型要根据具体问题的特点来决定。

选择的一般原则是精度要高，应用简单，节省计算时间，同时也具有通用性。

FLUENT 提供的湍流模型包括：单方程（Spalart-Allmaras ）模型、双方程模型（标准κ-ε模型、重整化群κ-ε模型、可实现(Realizable)κ-ε模型）及雷诺应力模型和大涡模拟。

湍流模型种类示意图包含更多 物理机理每次迭代 计算量增加提的模型选RANS-based models第二节，平均量输运方程雷诺平均就是把Navier-Stokes 方程中的瞬时变量分解成平均量和脉动量两部分。

对于速度，有：i i i u u u '+= 3－3其中，i u 和i u '分别是平均速度和脉动速度（i=1,2,3）类似地，对于压力等其它标量，我们也有：φφφ'+= 3－4 其中，φ表示标量，如压力、能量、组分浓度等。

第五章：湍流模型授课教师：张金亚湍流模型简介湍流的特征从NS方程到雷诺平均NS模型（RANS） 雷诺应力和封闭问题湍动能方程（k）涡粘模型(EVM)雷诺应力模型SRS模型Generalized k-w（GEKO）模型近壁面处理及网格要求进口边界条件总结: 湍流模型湍流的特征湍流本质是非稳态的、三维的、非周期的、中及高雷诺数流动中的漩涡运动（脉动），湍流会加强混合、传热和剪切时空域的瞬间脉动是随机的（不可预测的），但湍流脉动的统计平均可量化为输运机理所有的湍流中都存在大范围的长度尺度（涡尺度）对初场敏感注：工程流动一般以低粘度流体为基础，因此几乎所有的流动都是湍流。

后台阶流时间平均的速度分布瞬时速度分布横风中的射流左图是抓拍的瞬态羽流图，右图是延时的光滑掉细节（涡）的平均图。

横风中的射流From Su and Mungal in Durbin and Medic (2008)层流Laminar(低雷诺数)转捩Transition(逐渐增大雷诺数)湍流Turbulent(高雷诺数)雷诺观察的试验如何判断是否为湍流外流内流自然对流along a surface around an obstaclewherewhereOther factors such as free-stream turbulence, surfaceconditions, blowing, suction, and other disturbances etc. maycause transition to turbulence atlower Reynolds numbers(Rayleigh number)etc.,,,h d d x L (Prandtl number)雷诺数的效果Re > 3.5×10640 < Re < 150150 < Re < 3×1055-15 < Re < 40 Re < 5 湍流涡街，但涡间距离更近边界层转捩为湍流分离点前为层流边界层，尾迹为湍流层流涡街尾迹区有一对稳定涡蠕动流（无分离）3×105< Re < 3.5×106湍流结构SmallStructuresLargeStructuresEnergy Cascade (after Richardson, 1922)Injectionof energyDissipationof energyDissipating eddies Large-scale eddiesFlux of energy守恒方程模拟湍流的方法•直接数值模拟(DNS)理论上，所有湍流(和层流/转捩)都可以通过求解完全的Navier-Stokes方程进行数值求解 求解整个尺度谱. 无模型要求计算代价过大! 对工业流动并不实际•大涡模拟(LES)类模型求解空间平均的N-S方程直接模拟大的涡, 而比网格小的涡通过模型模化较DNS计算代价小, 但是对大多数运用来说，计算资源及计算代价依然较高•雷诺平均Navier-Stokes (RANS)模型求解时均的Navier-Stokes方程在RANS中模拟湍流的所有长度尺度•多种模型可以选用对工业流动计算，这是最为广泛采用的方法•现在没有一种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时均的思想是将瞬时量分解为时均量与脉动量，并抽取出时均量雷诺应力张量R ij对称二阶应力; 由对动量方程的输运加速度项平均得来雷诺应力提供了湍流（随机脉动）输运的平均效应，是高度扩散的 RANS方程中的雷诺应力张量代表湍流脉动的混合和平均带来的光顺RANS 模型-封闭问题为了封闭RANS 方程组，必须对雷诺应力张量进行模拟 涡粘模型(EVM) –基于Boussinesq 假设，即雷诺应力正比于时均速度的应变，比例常数为涡粘系数（湍流粘性）雷诺应力模型(RSM): 求解六个雷诺应力项（加上耗散率方程）的偏微分输运方程组Eddy viscosity量纲分析表明，如果我们知道必要的几个尺度（如速度尺度、长度尺度），涡粘系数就可以确定出来例如，给定速度尺度和长度尺度，或速度尺度和时间尺度，涡粘系数就被确定，RANS方程也就封闭了只有非常简单的流动才能预测出这些尺度（如充分发展的管流或粘度计里的流动对一般问题，我们需要导出偏微分输运方程组来计算涡粘系数湍动能k启发了求解涡粘模型的物理机理涡粘系数类似于动量扩散效应中的分子粘性涡粘系数不是流体的属性，是一个湍流的特征量，随着流体流动的位置而改变。

胡言｜ANSYSCFD湍流应用指南本文描述ANSYS CFD中湍流应用指南。

以下内容翻译自ANSYS官方提供的培训PPT。

1 RANS湍流模型1.1 选择何种模型ANSYS Fluent和ANSYS CFX中的许多RANS模型及其变种是历史发展的结果ANSYS推荐采用k-w家族的模型，原因包括最准确和稳健的格式最简单及最优的壁面处理(y -不敏感)与软件中的其他模型的兼容性更好，特别是层流湍流转捩模型更好的灵活性（SST模型中调整系数a1，在大范围的流动条件下调整GEKO模型）所有现有的模型(如k-epsilon模型等)将在未来得到支持，但进展有限现有的k-e模型可以转换为GEKO模型1.2 ω方程集成平台湍流模型需要一个基本的尺度方程在ANSYS CFD中，ω-方程符合这个目的推荐采用的家族模型SST/BSLGEKORSM-ω1.3 在k-w模型族中选择1、涡粘模型SST好的起点整体分离预测相当准确可通过参数a1调整边界层分离的灵敏度(增加a1会延迟分离，a1>0.4与BSL模型本质上相同) GEKO提供范围广泛的校正系数，可以全局或局部调整能够模拟其他模型（如SST、k-epsilon等）2、EARSM/RSM模型EARSM-WJ(Fluent中的β)能够与BSL或GEKO模型结合使用对一些角区流动分离问题进行改进，不过没有额外的曲率校正，对涡流或曲率没有任何好处RSM与BSL模型联合使用潜在改进包括：角区流动分离、包含旋转或曲率流动、不同流动特性的复杂相互作用经常存在稳健性问题1.4 模拟之前需要问的问题流动是否可以由RANS模型的子模型描述？若可以，则选择RANS模型的子选项若不能，是否可以通过调整GEKO模型的一些选项以适应流动？若不行，则使用SRS模型（如SBES）流动雷诺数多少？在中等Re数(1E4-1E6)和边界层的情况下，是否需要包括层流湍流转捩？是否应该激活Curvature Correction?是否需要考虑额外的物理现象（浮力、壁面粗糙度等）？需要包括多少几何？需要在多远的地方设置边界？我是否应该测试这些决定的影响？模拟的网格划分要求是什么？时间尺度/成本是多少？能否负担得起网格细化研究？或者以前做过类似的研究吗?边界条件有多精确？否需要对边界的变化进行敏感性研究？什么是最优解算器/数值设置？对于稳态计算，非收敛的计算结果应当谨慎处理。

湍流模型及其在CFD中的应用一个例子如果在静止的空气里，点燃一个火炬，并且燃料源源不断地供给，可以发现周围的气体会做强烈的湍流流动，同时这些气流的湍流流动会促使火焰愈烧愈旺。

上述过程涉及流动、传热、传质和化学反应。

提出问题：湍流对那些过程有影响？哪些因素又反过来影响湍流？一、湍流及其数学描述1、湍流流动的特征流体实验表明，当Reynolds数小于某一临界值时，流动是平滑的，相邻的流体层彼此有序地流动，这种流动称为层流（laminar flow）。

当Reynolds数大于临界值时，会出现一系列复杂的变化，最终导致流动特征的本质变化，流动呈无序的混乱状态。

这时，即使是边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速度、压力、温度等流动特性都随机变化，这种状态称为湍流（turbulent flow）.湍流流动的两个例子Larger Structures Smaller Structures湍流涡的特点⏹观测表明，湍流带有旋转流动结构，这就是湍流涡（turbulent eddies），简称涡（eddy）。

⏹从物理结构上看，可以把湍流看成是由各种不同尺寸的涡叠合而成的流动，这些涡的大小和旋转轴的方向分布是随机的。

⏹大尺度的涡主要是由流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟，它主要受惯性影响而存在，是引起低频脉动的原因；⏹小尺度的涡主要是由粘性力所决定的，其尺寸可能只是流场尺度的千分之一量级，是引起高频脉动的原因。

涡的生成与耗散⏹大尺寸的涡不断地从主流中获得能量，通过涡间相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡传递。

⏹最后由于流体粘性的作用，小尺度的涡就不断消失，机械能就耗散为流体的热能。

⏹同时由于边界的作用，扰动及速度梯度的作用，新的涡又不断产生，构成了湍流运动。

湍流是流体力学中的难题⏹对某些简单的均匀时均流场，如果湍流脉动是均匀的、各向同性的，可以用经典的统计理论进行分析。

⏹但实际上，湍流是不均匀的。

湍流的作用⏹由于湍流的存在，速度脉动量在流线方向的分量和垂直于流线方向的分量之间建立了关联量，它代表着一种横向交换通量，也可以认为是由于湍流流动引起的一种附加剪切应力——影响动量的输运过程。

CFD湍流模型使用技巧培训在CFD湍流模型的使用中，有一些技巧和注意事项可以帮助提高模型的准确性和可靠性。

以下是一些常用的技巧和培训建议：1.合适的网格划分：合适的网格划分是保证模拟结果准确性的重要因素。

网格划分应该同时考虑到流场的几何复杂度和计算效率。

过于精细的网格可能会导致计算资源的浪费，而过于粗糙的网格可能会导致结果的不准确。

在进行CFD模拟之前，应该对流场进行合理的划分。

2.选取合适的湍流模型：CFD湍流模型有多种选择，如RANS （Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations，雷诺平均Navier-Stokes方程）、LES（Large-Eddy Simulation，大涡模拟）和DNS （Direct Numerical Simulation，直接数值模拟）等。

合适的湍流模型应根据不同的应用场景进行选择。

3.校验与验证：在进行CFD模拟之前，应对模型进行校验与验证，以确保模型的正确性和可靠性。

校验是指将数值模拟结果与已知解析解或实验数据进行对比，验证是指将数值模拟结果与实验数据进行对比。

校验与验证的目的是评估CFD模型对实际问题的适用性和准确性。

4.选择适当的求解器和边界条件：在CFD模拟中，选择适当的求解器和边界条件是保证计算准确性的关键。

求解器的选择应根据问题的独特性进行判断，边界条件的设定应符合实际情况。

5.参数敏感性分析：对CFD模拟中的参数进行敏感性分析可以帮助确定哪些参数对结果产生重要影响，帮助优化模型并减少计算量。

6.计算后处理和结果分析：CFD模拟的结果通常比较复杂，需要进行计算后处理和结果分析，以获得有效的工程信息。

计算后处理和结果分析是进行可视化和定量分析的过程，可以通过软件工具来实现。

总之，CFD湍流模型的使用需要系统的培训和掌握一定的技巧。

合适的网格划分、适当的湍流模型选择、校验与验证、适当的求解器和边界条件的选择、参数敏感性分析以及计算后处理和结果分析都是CFD湍流模拟中需要注意的方面。

1.首先我们要确定的是Re，特征长度就是翼型长度，也就是1米。

2.这个是各种数值计算方法的一个汇总，咱之前的模型在右下角。

待会我一一介绍。

3.由于其他的比较复杂，所以我就把后面的四种介绍一下。

4.因为这四种都是属于涡粘模型，先简单介绍一下涡粘模型。

在流体力学里，你们肯定也学了NS方程，NS方程直接自己是封闭的，但是在解决三维流动的时候非常的困难。

直接解方程（也就是直接数值模拟）很困难，所以人们就想出了N种方法，其中有一种方法是把各种波动的量用平均值和波动值来表示：然后代入原方程，然后的结果可想而知，方程多出了未知数。

然后人们就开始想办法让方程封闭，引入新的方程。

这就是涡粘模型的基本思想。

引入0个1个2个方程分别就是0方程模型1方程模型和2方程模型。

而标准k-ε模型就是2方程中的一个。

2方程模型有一堆，见上表。

5.标准k-ε模型是2方程模型，所以引入了2个方程（K方程和ε方程），但是同时也引入了两个量。

一个是湍动能：（你们不用管前面的符号，那是张量符号，你们就记住最右边的表达式就行了）另一个就是湍动能耗散率：关于这个的计算先不说。

关于这两个参数，以及这两个参数引出的相关参数，比较复杂，都在书上。

我们面临的问题其实就是确定相关的参数，直接计算肯定是不现实的，现在就是看看能不能稍微改一改之类的，有个容易的方法。

6.标准的k-ε模型有如下缺点：在强旋流和弯曲壁面函数的情况下，会产生失真。

也就是说，弯曲壁面上不太准确。

（咱的翼型绕流应该算是弯曲壁面），所以会有改进形式的模型：RNG和realizable模型7.RNG-kε模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。

Realizable-kε模型已被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、包含有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。

8.关于上面的两种模型的大概知识就介绍到这了，可以看到改进后的两种模型对于所研究的问题都适用，具体问题还要具体分析。