一、介绍
湍流是中、高Re数下的流体3D随机不稳定运动。工程流体一般是低粘、湍流。对湍流的研究变量可能是:
l动量、能量、成分混合
l传热
l压力损失、效率
l气动力等
湍流,理论上由NS方程描述,但大多数情况下采用DNS捕捉流体时空全尺度特征非常不划算,至少在可预见的将来,此类仿真CPU还是耗不起的。因而,要对NS方程平滑处理,滤掉湍流谱中部分小尺度样本。最广泛应用的平滑方法是雷诺平均,即RANS方程。这种方法抹去了所有的湍流结构,只能得到平均的场变量。即便如此,平滑过程会在输运方程中引入未知变量,比如雷诺应力、流量等。这就需要建立封闭模型。仿真质量基本就取决于选取的湍流(封闭)模型以及计算网格。RANS的一个替代方法是SRS模型。SRS在流域的部分区域求解了部分湍流谱,更著名的湍流结构扑捉方法是LES,当然还有很多杂交方法(RANS/LES,DES)。因为所有SRS模型时间步很小,这些模型都很耗CPU资源。
ANSYS FLUENT提供如下的湍流模型:
lSpalart-Allmarasmodel
lK-epsilon model :standard k-epsilon model; Renormalization-group (RNG) k-epsilonmodel; Realizable k-epsilon model
lK-omega model:standard k-omega model; shear stress transport (SST) k-omegamodel
lV2-fmodel
lTransitionk-kl-omega model
lTransition SSTmodel
lRSM: linearpressure-strain RSM model; Quadratic pressure-strain RSM model;Low-Re stress omega RSM model
lSASmodel
lDES model:Spalart- Almaras model, realizable k-epsilon model, SST k-omegamodel
lLES model:Smagorinsky-Lilly subgrid scale model; WALE subgrid-scale model;Dynamic Smagorinsky model; Kinetic energy transport subgrid scalemodel
二、湍流模型选择
因为不存在适应所有情况的湍流模型,考虑流体特性、问题属性、精度要求、计算效率、计算机资源等,需要你明白各个模型的优缺点哟。
三、湍流设置步骤
FLUENT 湍流面板
四、Spalart-Almaras(单方程)模型
五、K-epsilon模型
六、k-omega模型
七、瞬态 k-kl-omega模型
八、瞬态SST模型
九、雷诺应力模型
十、尺度自适应模型(SRS)
十一、分离涡模型(DES)
十二、大涡模型(LES)
十三、嵌入式DES模型
十四、所有湍流模型设置
l粘性热效应,具体见solving heat transfer problems
l考虑浮力的湍流项
如果考虑非零重力,而且是非等温流,那么浮力附加的湍动能在默认情况下自动添加到k方程,但是epsilon不会默认考虑浮力效应。所以,你必须选上“Full BuoyancyEffects”
该选项对所有k-epsilon模型以及RSM适用
l涡度基,应变/涡度基应力项
在单方程模型中,选择”VorticityBased Production”, FLUENT按计算雷诺应力;选择应变/涡度基,FLUENT按计算雷诺应力
lDDES
使用分离涡模型(DES),推荐选上DDES。该选项有助于模型在边界层附近使用RANS模型
l微分涡粘
RNG模型选项中,有差分格式涡粘模型用于计算低雷诺数有效粘度(effective viscosity)
l漩涡修正
RNG模型中,漩涡修正用于计算3D对称有漩涡的流动。漩涡参数默认0.07,对弱漩涡有效;对强漩涡,需要选择更大的参数。
l低雷诺修正
k-omega模型中,使用低雷诺修正选项可对湍流粘度在低雷诺数情况下修正,默认值阻力系数是1.
l低雷诺阻尼
单方程模型以及单方程DES模型中,当计算低粘度流在边界层网格y+<3内,需使用该选项。
l剪切流修正
在标准k-omega模型中,可以使用该选项来提高自由剪切流预测精度。两参数,的默认值为1。
l湍流阻尼
在标准k-omega, SSTk-omega模型中,可使用该选项来精确计算界面区。默认阻尼因子是10
l压力梯度效应
对壁面做强化处理后,需考虑压力梯度效应时,使用该选项。
l热效应
l边界反射
l计算k方程求解壁面条件
l二次压力应变模型
l低雷诺应力-omega, 压力-应变
l亚格子尺度模型
l自定义湍流粘度
l自定义湍流Prandtl数、Schmidt数
l非牛顿湍流模型
十五、湍流边界
l单方程模型
该模型中需要平均流速等,内壁面边界平均流速由FLUENT自动计算,不需要用户输入。入口边界的平均流速/压强就必须用户输入。入口边界条件必须精确定义,因为它会严重地影响下流流动。另外,该模型中也可以考虑壁面粗糙度。
lk-epsilon,k-omega模型
该模型需要提供边值k, epsilon,omega. 内壁面边界的k, epsilon,omega由FLUENT自动计算,不需要用户输入。口边界的k, epsilon, omega就必须用户输入。入口边界条件必须精确定义,因为它会严重地影响下流流动。另外,该模型中也可以考虑壁面粗糙度。另外,用户还可以设置涡粘系数为0,使这部分流动呈平流。
l雷诺应力模型
需提供的边界同上。
lLES模型
可在速度入口边界设定湍谱中达到一定幅值的速度分量。这时需要选用一个湍流强度用于确定该幅值。除速度入口,LES中其他边界设置同平流。
十六、k, epsilon,omega初值预测
使用k-omega,k-epsilon模型,需要这些参数的初值。一般建议从完全发展的湍流状态开始。
l如果能精确给定入口边界条件,对计算k, epsilon, omega初值很有帮助;
l对复杂的流动,使用5%-10%的湍流强度来表征完全发展的湍流状态。这样,k就能从湍流强度计算,而特征平均流速满足:;epsilon需要估值,并满足(eddy viscosity)涡粘大于分子粘性。对于完全发展的湍流,湍流涡粘度应比分子粘性大两个数量级
十七、湍流求解策略
相比层流,湍流更具挑战性哟。对雷诺平均方法,需要求解附加方程,而这里面的变量又是高度非线性耦合的,因而湍流收敛解比层流解麻烦多了。对LES方法要求非常细的网格,虽然亚格子粘度采用简单的代数模型。湍流计算精度很大程度取决于模型的选择。下面是一些建议:
l网格生成
首先凭物理直觉判断你将计算的流场主要特征,然后画足够用的网格来扑捉这些可能的特征;如果有壁面,而且需要着重考虑的,画网格时需要额外的考虑,既不要太细也不要太糙。
l精度
首先要选择更能描述你期望的特征的湍流模型。然后,湍流中变量具有更大的梯度,所以建议采用高阶格式计算对流项,尤其是三角形、四面体网格。注意数值耗散会很严重地印象计算精度,不管选什么模型。最后,入口边界必须足够精确,它对下游流动发展影响太大了。
l收敛性
首先过于粗糙的变量初值可能导致发散,比较好的策略是开始计算时采用亚松弛参数,对于密度基求解器,采用保守的Courant数,在后面的迭代步中逐渐调整这些参数以保证计算稳定。
另外,合理的k, epsilon,omega初值对快速收敛很有帮助。尤其是使用了增强壁面函数,从一个完全发展地湍流场开始计算最好,这样可以避免过多的迭代步才进入湍流。
使用RNGk-epsilon模型时,可先采用标准k-epsilon模型计算,再将结果当初值带入RNG模型。
lRSM求解策略
RSM模型高度耦合了动量和雷诺应力,故相比k-epsilon模型,其更容易碰到稳定性、发送的问题。使用RSM模型的通用建议:
使用标准k-epsilon模型结果当初值;使用低的亚松弛参数(0.2—0.3),对密度基求解器,求解高度漩转流动或者高度复杂流动,使用低的Courant数。
lLES求解策略
LES基于细网格小时间步跑瞬态问题,要使流场不依赖初值,就必须跑足够长的时间。一般性建议:
先跑一个稳态流模型,比如标准k-epsilon,k-omega, 甚至RSM直到收敛,然后使用solve/initialize/init-instantaneous-vel 文本命令得到瞬态速度场,当做初值传递给LES。这也有助于减少LES达到统计稳定的时间。
使用LES,FLUENT将自动开启非稳定求解器选项,选用二阶隐式格式。用户需要设定时间步、求解参数等。有界中心差分将自动开启用于动量方程的空间离散。
监测LES是否达到了统计稳定的最好办法是监测在选定位置的求解变量(速度、压力等)
归零初始统计使用文本命令:solve/initialize/init-flow-statistics。重启计算前,在Run Calculation Task Package面板里激活“Data Sampling for TimeStatistics”。该选项可以按一定频率采集变量的平均值、均方差等信息,并可用于后处理。
十八、湍流后处理