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
- 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
1.2 ω方程集成平台1.3 在k-w模型族中选择- 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)
- 能够模拟其他模型(如SST、k-epsilon等)
- 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
- 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
1.4 模拟之前需要问的问题- 若不能,是否可以通过调整GEKO模型的一些选项以适应流动?
- 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?
- 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?
- 对于稳态计算,非收敛的计算结果应当谨慎处理。这种情况下最好切换到瞬态设置
- 对于瞬态的SRS仿真尤其重要,最优设置可以节省大量的CPU/项目时间
1.5 k-w模型选项- 曲率修正(Curvature correction)
- 使用Intermittency Transition模型,该模型要比Transition SST模型简单
- 可压缩效应(Compressibility Effects)
- 低雷诺数校正(Fluent)-不要使用。它模拟转捩,但如果流动是转捩的,最好使用其中一个转捩模型
2 SRS模型选择- 对于大多数流动问题,SBES模型(Stress-Blended Eddy Simulation)都可以作为备选项
- SAS模型(Scale-Adaptive Simulation model )
- 优点:SAS在粗网格和时间步长上有一个URANS/RANS回退求解方法
- 缺点:在流动非稳定性较弱的区域,SAS模型停留在稳定或URANS模式
3 RANS-LES模型场景4 SRS流动类型4.1 全局不稳定流动- 解析湍流不依赖于上游RANS区域湍流的细节(RANS模型可以确定分离点,但由此产生新的湍流)
- 对于这些流动问题,基本上所有的混合RANS-LES模型都能够工作得很好
- (推荐)SBES:最优的全局混合RANS-LES模型,但对所有自由剪切流都要求LES分辨率
- (推荐)SAS:最容易使用,因为它可以快速转换成LES模式,并自动覆盖RANS中的边界层。更适合于粗糙网格上使用
- (不推荐)ELES:其实并不需要,因为流动不稳定性强到足以将模型推入LES模式。经常难以为合成湍流准备界面
4.2 局部非稳定流动- 由于模型提供的低涡粘性,SBES和DES模型不稳定。只适用于精细的LES质量网格和时间步
- (推荐)SBES:可以通过细密计算网格及小的时间步长Δt触发进入LES模式,需要仔细的生成计算网格。上游边界层采用RANS模式
- (推荐)ELES:在细网格和小时间步长Δt 时工作于LES模式。需要仔细地生成网格。上游边界层(管道流动)采用昂贵的LES模式。
- (不推荐)SAS:保持在RANS模式。以RANS模式计算上游边界层。可以通过RANS-LES界面触发到SRS模式。
4.3 略不稳定流- 转捩过程缓慢,如果只在界面上将湍流模型从RANS切换到LES,则需要几个边界层厚度。
- 因此,从上游RANS切换到SRS模型时,需要一个具有合成湍流产生的RANS到LES界面。
- RANS-LES界面需要置于非临界(平衡)流区。界面下游需要全LES分辨率
- (推荐)SBES:可以由合成湍流触发进入WMLES模式
- (推荐)ELES:在细网格和小时间步长Δt时工作在LES模式。需要仔细地生成网格。上游边界层内采用RANS模式,合成湍流RANS-LES界面
- (不推荐)SAS:保持RANS模式。典型的RANS解决方案。可以通过RANS-LES界面触发到SRS模式。
- (不推荐)DDES:可以通过细网格和小时间步长Δt出发进入LES模式。需要仔细地生成网格。上游边界层采用RANS模式
4.4 SRS流型总结- RANS模式下的壁面边界层和LES模式下的自由剪切流动
- SAS模型仅适用于强流动不稳定、时间步长和网格太粗(SAS在非常大的时间步长上恢复URANS)的情况
- 如果边界层内需要LES/WMLES,那么CPU成本将急剧增加
- 注意LES/WMLES模拟处于工程可行性的极限,它们需要项目资源(时间和计算能力),而这些资源往往是不现实的
- 只有非常精细的网格和仔细的参数设置,边界层的LES/WMLES才能比优化的RANS模型工作得更好
5 典型应用5.1 航空外流场计算- 对于航空外流场计算,SST模型被认为是最精确的模型之一
- 为叶尖涡流动增加曲率校正(Curvature Correction )
5.2 汽车外流场- 对于汽车空气动力学流动,SST模型对分离预测过于激进,可能导致分离作用的过度预测和不稳定
- 利用SBES模型进行尺度解析仿真(SRS),可以得到较好的预测结果
- 非定常湍流(车轮周围或汽车后面)的情况下需要使用GEKO-SBES模型
5.3 旋转机械叶片流动- 对于叶轮机械叶片流动,通常采用默认设置的SST模型
- 层流湍流转捩模型通常是必不可少的,使用γ-re或γ单方程模型
- 对壁面边界层使用精细网格,特别包含有专类模型时(20-30层网格)
- 使用EARSM进行hub-blade(hub-shroud)分离计算
5.4 一般工业流动- 一般工业流动中常包含有由几何(边、角等)引起的流动分离
- RANS可能导致过大的分隔区域和/或不正确的流拓扑结构
- 使用尺度分解模拟(SRS)模型(SBES或SAS)来预测正确的大规模混合和相互作用
- GEKO系数甚至可以在不同的区域进行不同的调优(UDF)
5.5 燃烧室- 如果传热很重要,使用全局混合模型- SBES以RANS模式覆盖边界层
6 最佳实践6.1 边界层分辨率- 对于空气动力学计算,边界层网格应在10层以上,高精度模拟需要30~40层以上
- 对于复杂流动,只能提供少量边界层网格(3~5层),此时计算精度可能会受影响
6.2 转捩模型的网格需求- 网格可以根据网格的壁面y+值和膨胀率(ER)来划分
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