Fluent中的湍流模型
这周太忙了,没有学习做新算例。
每周一篇的文章不能断
于是决定写一下关于fluent的湍流模型,我自己的一些理解。
我们在做CFD 计算时,首先需要判断流动是层流还是湍流。一般通过预估雷诺数来进行判断。
其中,ρ为流体的密度,单位为kg/m3;U为流体的流动速度,m/s; L为特征尺寸,m;μ为流体的动力粘度Pas。
但是对于不同的流动状态,判断层流还是湍流的标准会存在较大的差异。
如沿壁面的外流场的计算,我们通常认为Re>500000才是湍流;而圆管的内流场计算,Re>2300就认为是湍流;甚至,对于滑阀口的流动,Re>100就已经达到湍流状态了。
若在进行计算前无法预估雷诺数,则可以先用层流模型先试算一下,Fluent也可以输出雷诺数,对于湍流效应较强的计算,层流模型可能较难收敛,这样就可以切换湍流模型进行计算了。
为什么需要湍流模型?
在工程应用中,由于湍流的生产效率高,大部分的流动都是湍流。
湍流是一个非常随机的,瞬时的流动状态,每时每刻的流速和流动方向都会变化。
湍流的能量耗散过程就是由大涡分离成很多小涡,对于尺度非常小的小涡会产生能量的耗散,将动能转换为内能。
想精准的模拟湍流流动的话,需要的计算量非常非常的多,耗时也会非常非常长。工程应用中,我们通常是关注的是一段时间内流体的平均流动状态,因此,在工程计算中采用时均化的方式来得到时均解。
如果我们记录湍流流动中某一点的流速变化,如下图中棕色曲线,瞬时的速度是不停的变化的,但是在一段时间内,平均速度是不变的,我们认为它是稳态的湍流流动。
这个速度波动呢,如果采用直接求解的方式计算量同样很大,因此就需要用各种各样的计算方法来修正这个速度的波动,来近似的求解流场。
还有一些物理量是没办法通过计算求解到的,比如小涡耗散掉的能量是多少(就是我们说的耗散率dissipation rate,ε),是通过一些实验啊,经验公式推导出来的。
这就是各种湍流模型的由来。
这是我自己的简化理解方法哈,和你们分享。其实理解的深入一些还有很多东西,后面等我理解得更多了,再分享给大家。
最准确的湍流模型就是没有湍流模型
可能一开始在做CFD的计算时,我们总是追求计算的准确性,总想找到最准确的湍流模型来做计算
但是所有的湍流模型都是为了工程计算的效率而开发出的近似模型,只要用了湍流模型,就不可能百分之百的精确模拟出实际的流动。
我们能做的就是选择最合适的湍流模型。
如何选择湍流模型?
选择湍流模型主要考虑两个方面:计算成本和适用领域
越精确的湍流模型一定是计算成本越高的,我们需要根据我们的应用领域来选择成本更低的,又能满足我们的计算要求的湍流模型。
下图是Fluent中各种湍流模型的计算成本排序。
各个湍流模型的适用场合如下图,我的ANSYS 培训教程是英文的,我本打算翻译一下贴出来。但是我突然间发现我在网上找到了中文版。
关于湍流模型选择的一点小建议:
- 如果你的流道有拐弯,建议使用Realizable-K-epsilon 或SST k-omega模型
- 对于关注壁面上的传热细节或是壁面的分离流动的,强烈建议用SST k-omega
- 如果一般的流动,在进行粗略的湍流计算时,可以先用标准的KE先跑一跑看,因为这个是最好收敛的一个模型。