《fluent湍流模型》课件

湍流模型及其在物理学中的应用

湍流是一个普遍存在于自然界和人类社会中的现象，具有复杂性、不可预知性和不稳定性等特点。湍流现象包括气体、液体、等离子体、大气等许多领域，因此它的研究具有重要的理论和实际意义。为了研究湍流现象，科学家们发展了许多不同的模型和方法，其中湍流模型是重要的研究工具之一。本文将介绍湍流模型和它在物理学中的应用。

一、湍流模型概述

湍流模型是对湍流现象进行数学描述的一种方法，它认为湍流现象是由一系列不同尺度的涡旋体产生的，涡旋体之间存在相互作用和相互影响。目前常用的湍流模型包括：

1. 线性模型：线性模型假设涡旋体是线性的、稳定的。这种模型有简单、精确、易于解析等特点，但它并不能精确地描述实际湍流现象。

2. 非线性模型：非线性模型是近年来湍流研究的主要方向。它认为涡旋体是非线性的、不稳定的，并且涡旋体之间存在复杂的相互作用和相互影响。这种模型适用于对高度非线性湍流现象的研究，但通常需要进行复杂的计算。

3. 统计模型：统计模型是一种基于大量实验数据和经验规律的模型。它主要通过统计分析来确定湍流现象的统计特性。目前最常用的统计模型是雷诺平均 Navier-Stokes 方程（RANS），该方程将湍流速度分解为平均流和涡旋脉动流两部分。这种模型适用于时间尺度大于湍流时间尺度的湍流现象。

通过使用不同的模型可以更好地描述和了解湍流现象，从而为湍流研究提供了重要的工具和技术。

二、湍流模型在物理学中的应用

湍流研究既具有理论意义，又具有实际应用价值。下面介绍湍流模型在物理学中的一些应用。

1. 大气湍流预测

大气湍流预测是天气预报、气候变化预测等领域的重要研究方向之一。湍流对气象学有着深远的影响，因此了解和预测大气湍流现象对准确预测天气和气候变化至关重要。目前常用的预测方法包括数值模拟、机器学习等。其中，湍流模型是数值模拟的重要组成部分，通过使用湍流模型可以更好地模拟大气湍流，并提高预测精度。

3.6.5在FLUENT中设定湍流模型[共3页]

118精通CFD ⼯程仿真与案例实战—— FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot（第2版） 表3-3

⼏种壁⾯处理⽅法的⽐较

优 点 缺 点 标准壁⾯函数法 应⽤较多，计算量⼩，有较⾼的精度 适合⾼雷诺数流动，对低雷诺数流动问题，有压⼒梯度、⾼度

蒸腾和⼤的体积⼒、低雷诺数和⾼速三维流动问题不合适

⾮平衡壁⾯函数法 考虑了压⼒梯度，可以计算分离，再附着以及撞击问题 对低雷诺数流动问题，有较强压⼒梯度、强体积⼒及强三维性

问题不适合

增强壁⾯处理

不依赖壁⾯法则，对于复杂流动，特别

是低雷诺数流动很适合 要求⽹格密，因⽽要求计算机处理时间长，内存⼤ 3.6.5 在FLUENT 中设定湍流模型

在FLUENT 中设定湍流模型的过程如下。

在Viscous Model 对话框中选中Inviscid （⽆粘）选项，FLUENT 会将流体视为没有黏性的理想流体，此时⽆须指定其他参数，如图3-8所⽰。

在Viscous Model 对话框中选中Laminar （层流）选项，FLUENT 会将流体视为层流流动求解，如图3-9所⽰。若勾选Low-Pressure Boundary Slip 复选框，将考虑压⼒较低时速度和温度滑移边界条件对流动的影响，⽐如半导体制造装置的模拟。

图3-8 在Viscous 模型对话框中选择⽆粘流动 图3-9 在Viscous 模型对话框中选择层流流动

在Viscous Model 对话框（见图3-10）内选中Spalart-Allmaras (1 eqn)选项，即选择了Spalart-Allmaras 模型。Spalart-Allmaras Production 选项组中的V orticity-Based （基于涡的⽣成）选项和Strain/V orticity-Based （基于应变/涡的⽣成）选项为两种计算变形张量的⽅法。包含涡和应变张量能更精确地预测湍流涡旋的影响，因⽽⼀般结果更为可靠。FLUENT 的默认选项（V orticity-Based ）只考虑了涡旋张量，可能过度预测涡黏性。勾选Spalart-Allmaras Options 下的Low-Re Damping 复选框后，将考虑低雷诺数阻尼对湍流黏性的影响，默认此复选框是勾选的。Model Constants 数项组中的常数是模型⽅程中常数的推荐值，对于绝⼤多数情况都推荐使⽤这些值。

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授课：XXX 【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- models

o Standard k- model

o Renormalization-group (RNG) k- model

o Realizable k- model

• K- models

o Standard k- model

o Shear-stress transport (SST) k- model

• Reynolds stress model (RSM)

• Large eddy simulation (LES) model

10.2 选择湍流模型

FLUENT常用的湍流模型及壁面函数处理

本文内容摘自《精通CFD工程仿真与案例实战》。实际上也是帮助文档的翻译，英文好的可直接参阅帮助文档。

FLUENT中的湍流模型很多，有单方程模型，双方程模型，雷诺应力模型，转捩模型等等。这里只针对最常用的模型。

1、湍流模型描述

模型 描述

Spalart-Allmaras 单方程模型，直接解出修正过的湍流粘性，用于有界壁面流动的航空领域（需要较好的近壁面网格）尤其是绕流过程；该模型也可用于粗网格。

Standard k-e 双方程模型。是默认的k-e模型，系数由经验公式给出。只对高Re的湍流有效，包含粘性热、浮力、压缩性等选项

RNG k-e 标准k-e模型的变形，方程和系数来自解析解。在e方程中改善了模拟高应变流动的能力；用来预测中等强度的旋游和低雷诺数流动

Realizable k-e 标准k-e模型的变形。用数学约束改善模型的性能。能用于预测中等强度的旋流

Standard k-w 两个输运方程求解k与w。对于有界壁面和低雷诺数流动性能较好，尤其是绕流问题；包含转捩。自由剪切和压缩性选项

SST k-w 标准k-w模型的变形。使用混合函数将标准k-e模型与k-w模型结合起来，包含了转捩和剪切选项

Reynolds Stress 直接使用输运方程来解出雷诺应力，避免了其它模型的粘性假设，模拟强旋流相比其它模型有明显优势

2、湍流模型的选择

模型 用法

Spalart 计算量小，对一定复杂的边界层问题有较好的效果 Allmaras 计算结果没有被 广泛的测试，缺少子模型

典型的应用场合为航空领域的绕流模拟

Standard k-e 应用多，计算量适中，有较多数据积累和比较高的精度

对于曲率较大和压力梯度较强等复杂流动模拟效果欠佳

一般工程计算都使用此模型，其收敛性和计算精度能满足一般的工程计算要求，但模拟旋流和绕流时有缺陷

RNG k-e 能模拟射流撞击、分离流、二次流和旋流等 中等复杂流动