turbulentmodels

基于CFD的小型反应釜中不同湍流模型数值模拟比较作者：李青云来源：《当代化工》2020年第07期Flow Field Numerical Simulation of Different TurbulentModels in Miniature Reactor Based on CFDLI Qing-yun（School of Materials and Environment， Beijing Institute of Technology， Zhuhai Guangdong 519088， China）Abstract： The miniature stirred reactor with single-layer and four-blade agitator is commonly used in laboratories. In this paper， based on CFD numerical simulation， four turbulence models of standard k-ε， RNG k-ε， SST and RSM were used to simulate the flow field in a miniature reactor by multiple reference frame method. Different models’ predicted results of velocity field， pressure field， turbulence intensity distribution and linear velocity distribution in the blade region were compared， and suitable flow field model was screened out.Key words： CFD; Standard k-ε; RNG k-ε; SST; RSM; Multiple reference frame method釜式反應器是化工实验过程中广泛使用的反应混合装置。

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（笛卡尔坐标系）表示，即有：ij i j j i t j i k x u x u u u δρμρ32-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=''- 3－2 ij δ为DELT 函数，一般i=j 时为1，否则为0.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。

（模拟大空间建筑空气流动）μt= 74ρvl （模拟通风空调室内的空气流动）比例系数由直接数值模拟的结果拟合而得，其中：v 为当地时均速度，l 为当地距壁面最近的距离。

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。

参见：湍流模型的选择资料。

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大涡模拟启动需要用命令：(rpsetvar 'les-2d #t)Reynolds-Stress ModelLarge-Eddy SimulationDirect NumericalSimulation包含更多物理机理 每次迭代计算量增加提供RANS-based models第二节 平均量输运方程输运过程的粘滞系数、扩散系数和热传导率，故称为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。

FLUENT软件操作界面中英文对照编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（FLUENT软件操作界面中英文对照）的内容能够给您的工作和学习带来便利。

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FLUENT 软件操作界面中英文对照File 文件Grid 网格Models 模型 ： solver 解算器Read 读取文件：scheme 方案 journal 日志profile 外形Write 保存文件Import:进入另一个运算程序Interpolate ：窜改,插入Hardcopy ： 复制，Batch options 一组选项Save layout 保存设计Pressure based 基于压力Density based 基于密度implicit 隐式， explicit 显示Space 空间:2D，axisymmetric（转动轴）,axisymmetric swirl （漩涡转动轴）；Time时间：steady 定常，unsteady 非定常Velocity formulation 制定速度：absolute绝对的； relative 相对的Gradient option 梯度选择：以单元作基础;以节点作基础；以单元作梯度的最小正方形。

Porous formulation 多孔的制定：superticial velocity 表面速度；physical velocity 物理速度；solver求解器Multiphase 多相 energy 能量方程Visous 湍流层流，流态选择Radiation 辐射Species 种类，形式（燃烧和化学反应）Discrete phase 离散局面Solidification & melting (凝固/熔化）Acoustics 声音学：broadband noise sources多频率噪音源models模型Materials 定义物质性质Phase 阶段,相Operating conditions 操作压力条件Boundary conditions 边界条件Periodic conditions 周期性条件Grid interfaces 两题边界的表面网格Dynamic mesh 动力学的网孔Mixing planes 混合飞机？混合翼面？Turbo topology 涡轮拓扑Injections 注射DTRM rays DTRM射线Custom field functions 常用函数Profiles 外观,Units 单位User-defined 用户自定义materials 材料Name 定义物质的名称 chemical formula 化学反应式 material type 物质类型（液体，固体）Fluent fluid materials 流动的物质 mixture 混合物order materials by 根据什么物质(名称/化学反应式）Fluent database 流体数据库 user-defined database 用户自定义数据库Propertles 物质性质从上往下分别是密度比热容导热系数粘滞系数Operating conditions操作条件操作压力设置：operating pressure操作压力reference pressure location 参考压力位置gravity 重力，地心引力gravitational Acceleration 重力加速度operating temperature 操作温度variable—density parameters 可变密度的参数specified operating density 确切的操作密度Boundary conditions边界条件设置Fluid定义流体Zone name区域名 material name 物质名 edit 编辑Porous zone 多空区域 laminar zone 薄层或者层状区域 source terms (源项？）Fixed values 固定值motion 运动rotation—axis origin旋转轴原点Rotation—axis direction 旋转轴方向Motion type 运动类型： stationary静止的； moving reference frame 移动参考框架； Moving mesh 移动网格Porous zone 多孔区Reaction 反应Source terms （源项)Fixed values 固定值velocity—inlet速度入口Momentum 动量 thermal 温度 radiation 辐射 species 种类DPM DPM模型（可用于模拟颗粒轨迹) multipahse 多项流UDS(User define scalar 是使用fluent求解额外变量的方法）Velocity specification method 速度规范方法： magnitude，normal to boundary 速度大小,速度垂直于边界;magnitude and direction 大小和方向；components 速度组成？Reference frame 参考系:absolute绝对的；Relative to adjacent cell zone 相对于邻近的单元区Velocity magnitude 速度的大小Turbulence 湍流Specification method 规范方法k and epsilon K—E方程:1 Turbulent kinetic energy湍流动能；2 turbulent dissipation rate 湍流耗散率Intensity and length scale 强度和尺寸： 1湍流强度 2 湍流尺度=0.07L（L为水力半径)intensity and viscosity rate强度和粘度率:1湍流强度2湍流年度率intensity and hydraulic diameter强度与水力直径：1湍流强度;2水力直径pressure-inlet压力入口Gauge total pressure 总压supersonic/initial gauge pressure 超音速/初始表压constant常数direction specification method 方向规范方法:1direction vector方向矢量；2 normal to boundary 垂直于边界mass—flow—inlet质量入口Mass flow specification method 质量流量规范方法：1 mass flow rate 质量流量；2 massFlux 质量通量 3mass flux with average mass flux 质量通量的平均通量supersonic/initial gauge pressure 超音速/初始表压direction specification method 方向规范方法：1direction vector方向矢量；2 normal to boundary 垂直于边界Reference frame 参考系：absolute绝对的;Relative to adjacent cell zone 相对于邻近的单元区pressure-outlet压力出口Gauge pressure表压backflow direction specification method 回流方向规范方法：1direction vector方向矢量；2 normal to boundary 垂直于边界；3 from neighboring cell 邻近单元Radial equilibrium pressure distribution 径向平衡压力分布Target mass flow rate 质量流量指向pressure-far—field压力远程Mach number 马赫数 x-component of flow direction X分量的流动方向outlet自由出流Flow rate weighting 流量比重inlet vent进口通风Loss coeffcient 损耗系数 1 constant 常数；2 piecewise—linear分段线性；3piecewise-polynomial 分段多项式；4 polynomial 多项式EditPolynomial Profile高次多项式型线Define 定义 in terms of 在一下方面 normal-velocity 正常速度 coefficients系数intake Fan进口风扇Pressure jump 压力跃 1 constant 常数；2 piecewise—linear分段线性；3piecewise—polynomial 分段多项式；4 polynomial 多项式exhaust fan排气扇对称边界（symmetry)周期性边界(periodic）Wall固壁边界adjicent cell zone相邻的单元区Wall motion 室壁运动：stationary wall 固定墙Shear condition 剪切条件： no slip 无滑；specified shear 指定的剪切;specularity coefficients 镜面放射系数 marangoni stress 马兰格尼压力?Wall roughness 壁面粗糙度：roughness height 粗糙高度 roughness constant粗糙常数Moving wall移动墙壁Translational 平移rotational 转动components 组成Solve/controls/solution 解决/控制/解决方案Equations 方程 under—relaxation factors 松弛因子： body forces 体积力Momentum动量 turbulent kinetic energy 湍流动能turbulent dissipation rate湍流耗散率Turbulent viscosity 湍流粘度 energy 能量Pressure-velocity coupling 压力速度耦合： simple ，simplec，plot和coupled是4种不同的算法。

fluent 操作界面中英文对照Grid 网格Read 读取文件：scheme 方案 journal 日志 profile 外形 Write 保存文件Import ：进入另一个运算程序 Interpolate ：窜改，插入 Hardcopy ： 复制， Batch options 一组选项 Save layout 保存设计Check 检查Info 报告：size 尺寸 ；memory usage 内存使用情况；zones 区域 ；partitions 划分存储区 Polyhedral 多面体：Convert domain 变换范围 Convert skewed cells 变换倾斜的单元 Merge 合并 Separate 分割Fuse (Merge 的意思是将具有相同条件的边界合并成一个;Fuse 将两个网格完全贴合的边界融合成内部(interior)来处理，比如叶轮机中，计算多个叶片时，只需生成一个叶片通道网格，其他通过复制后，将重合的周期边界Fuse 掉就行了。

注意两个命令均为不可逆操作，在进行操作时注意保存case)Zone 区域： append case file 添加case 文档 Replace 取代；delete 删除；deactivate 使复位；Surface mesh 表面网孔Reordr 追加，添加：Domain 范围；zones 区域； Print bandwidth 打印 Scale 单位变换 Translate 转化Rotate 旋转 smooth/swap 光滑/交换Define Models 模型：solver 解算器Pressure based 基于压力Density based 基于密度implicit 隐式，explicit 显示Space 空间：2D，axisymmetric（转动轴），axisymmetric swirl （漩涡转动轴）；Time时间：steady 定常，unsteady 非定常Velocity formulation 制定速度：absolute绝对的；relative 相对的Gradient option 梯度选择：以单元作基础；以节点作基础；以单元作梯度的最小正方形。

第一步：网格1、读入网格（File→Read→Case）2、检查网格（Grid→Check）3、平滑网格（Grid→Smooth/Swap）4、更改网格的长度单位（Grid→Scale）5、显示网格（Display→Grid）第二步：建立求解模型1、保持求解器的默认设置不变（定常）2、开启标准K-ε湍流模型和标准壁面函数Define→Models→Viscous第三步：设置流体的物理属性ari→Density→viscosity→第四步：设置边界条件对outflow、velocity-inlet、wall 采用默认值第五步：求解1、Solv→Controls→Solution中，Discretitation→Pressure→standardPressure→Momentum→2、Solution Initialization→all zone3、Residual Monitors→Plot第六步:迭代第七步：进行后处理第八步：1、Define→Model→Evlerian2、在Vissous Model→K-epsilon Multiphase Model→Mixture 第九步：在Define Phase Model→Discrete phase ModelInteraction↓选中→Interaction With Continuous PhaseNomber of Continuous PhaseInteractions per DPM Interaction第十步：设置物理属性第十一步：Define→Operating →重力加速度Define→Boondary Conditionsflvid→Mixture→选中Sovrce Terms 其他默认Phase-1→选中Sovrce Terms 其他默认Phase-2→选中Sovrce Terms 其他默认inflow→Mixture→全部默认Phase-1→全部默认Phase-2→Multiphase→Volume Fraction→其他默认outflow→Mixture→默认Phase-1→默认Phase-2→默认wall→Mixture→全部默认Phase-1→默认Phase-2默认第十二步：Slove→Controls→Slution Controls→Pressure→Momentum→其余默认第十三步：千万不能再使用初始化第十四步：进行迭代计算截Z轴上的图:在Surface→iso↓Surface of constant↓Grid↓然后选x、y、z轴（根据具体情况而定）↓在Iso-Values→选取位置C的设置在New Surface Name中输入新各字→点创建然后在Display→Grid→Edge type→Feature→选中刚创建的那个面，然后Display查看刚才那面是否创建对最后在Display→Contours→Options→Filled→Surface→选中面，然后Display。

【流体流动中存在着大量的密度变化虽然不大，但其影响又不可忽略的情况，如高炉车间里面的气流是远小于音速的流动，可以视为不可压缩流动，但高炉车间铁沟内的温差产生的自然对流对室内空气的流场和温度场在大多数情况存在着显著的影响。

对这类流体流动现象的描述引入著名的Boussinesq假设，可以大大简化所讨论的问题。

Boussinesq假设为：流体密度的变化并不显著地改变流体的性质。

即流体的其它物性不变；密度的变化对惯性力项、压力差项和粘性力项的影响可忽略不计；仅考虑密度的变化对质量力的影响】10湍流模型本章介绍了fluent中湍流模型的详细过程10.1 介绍湍流流动的特征就是速度场是脉动的。

速度的脉动使得输送量诸如动量，能量和物质浓度混合，从而导致它们也脉动。

因为脉动的幅度小，但是频率高，因此对实际的工程问题进行直接的模拟，耗费非常大的计算资源。

然而，瞬态的控制方程可以进行时间上的平均，ensemble-averaged，或者其他操作出去小的脉动分量，得到一系列的修正方程，这样求解起来花费会少些。

然而，修正方程中包含有另外的未知参量，湍流模型就是来定出这些参量。

Fluent中有下面的湍流模型：∙Spalart-Allmaras model∙k- modelso Standard k- modelo Renormalization-group (RNG) k- modelo Realizable k- model∙K- modelso Standard k- modelo Shear-stress transport (SST) k- model∙Reynolds stress model (RSM)∙Large eddy simulation (LES) model10.2 选择湍流模型没有一个万能的湍流模型适用于所有的问题，湍流模型的选择需要考虑流动中物理问题，特定问题的实际情况，需要的精确度水平，可用的计算资源，可用的模拟时间。

K-e湍流模型第一篇：K-e湍流模型K是紊流脉动动能（J），ε 是紊流脉动动能的耗散率（%）K越大表明湍流脉动长度和时间尺度越大，ε 越大意味着湍流脉动长度和时间尺度越小，它们是两个量制约着湍流脉动。

但是由于湍流脉动的尺度范围很大，计算的实际问题可能并不会如上所说的那样存在一个确切的正比和反比的关系。

在多尺度湍流模式中，湍流由各种尺度的涡动结构组成，大涡携带并传递能量，小涡则将能量耗散为内能。

在入口界面上设置的K和湍动能尺度对计算的结果影响大，至于k 是怎么设定see fluent manual “turbulence modelling”作一个简单的平板间充分发展的湍流流动，基于k-e模型。

确定压力梯度有两种方案，一是给定压力梯度，二是对速度采用周期边界条件，压力不管！k-epsiloin湍流模型参数设置：k－动能能量；epsilon－耗散率；在运用两方程湍流模型时这个k值是怎么设置的呢？epsilon可以这样计算吗？Mepsilon＝Cu*k*k/Vt%这些在软件里有详细介绍。

陶的书中有类似的处理，假定了进口的湍流雷诺数。

fluent帮助里说，用给出的公式计算就行。

k－e模型的收敛问题！应用k－e模型计算圆筒内湍流流动时，网格比较粗的时计算结果能收敛，但是当网格比较密的时候，湍流好散率就只能收敛到10的－2次方，请问大侠有没有解决的办法？用粗网格的结果做初场网格加密不是根本原因，更本的原因是在加密过程中，部分网格质量差注意改进网格质量，应该就会好转.在求解标准k-e双方程湍流模型时（采用涡粘假设，求湍流粘性系数，然后和N－S方程耦合求解粘性流场），发现湍动能产生项（雷诺应力和一个速度张量相乘组成的项）出现负值，请问是不是一种错误现象？如果是错误现象一般怎样避免。

另外处理湍动能产生项采用什么样的差分格式最好。

而且因为源项的影响，使得程序总是不稳定，造成k,e值出现负值，请问有什么办法克服这种现象。