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01 简介 DNS和LES在实践中的局限 湍流模拟是CFD模拟中不确定性的主要来源之一，因为湍流是经典物理学中最复杂的现象。湍流流动是一个多尺度问题，其中物体的尺度通常是米量级(对于飞机和船舶来说甚至能达到1e2米)，而对于高雷诺数流动，最小的湍流涡只有1e-5~1e-6米的量级。因此，直接数值模拟(DNS)方法的使用仅限于非常小的流动域和低雷诺数。即使通过大涡模拟(LES)减少尺度，也很难在可接受的计算时间内求解大多数的仿真问题，特别是在壁面边界层很重要的情况下。 RANS的应运而生 通过Reynolds-Averaged-Navier-Stokes (RANS)方程的概念，为上述困境提供了一个实际的解决方案。 与其在时间和空间上解决湍流结构，然后对解决方案进行平均化以获得所需的工程平均流量，不如先对方程进行平均化，直接求解时间平均（或集合平均）变量。 尽管这样计算效率更高，但它从方程中消除了与湍流相关的物理量。然后湍流模型需要反馈这些信息，以便于实现物理上正确的模拟。当使用RANS湍流模型时，应该意识到其相对于对于DNS在运算量上相差多个数量级。因此，RANS计算容易出现显著尺寸的建模错误也就不足为奇了。 不幸的是，与 RANS 相关的不确定性无法可靠地量化，因为在预测错误的流动问题上，不仅存在定量误差，而且还存在定性错误的可能性。 尽管如此，正确选择的RANS模型在许多问题上都能取得很好的效果，因此了解不同模型的优点和缺点可以帮助我们实现最佳求解精度。02 Ansys中的湍流模型 CFX与Fluent作为Ansys的两大CFD求解器，CFX中一直强调使用k-w模型，而Fluent仍然大量使用k-e模型。在近几个新版本中，Ansys CFD中选择的模型均是基于k-w模型。但这并不意味着基于k-e模型将从求解器中消失，只是k-w模型已经成为业内的主流选择。 对于大多数工业应用，涡流粘度模型提供了精度和稳定性之间的最佳平衡。雷诺应力模型(RSM)通常不推荐使用，因为它们通常会导致鲁棒性问题，而不能可靠地提高精度。在大多数情况下，RSM中考虑的附加物理效应也可以通过曲率修正、角修正和浮力扩展，最后使用显式雷诺应力模型(EARSM)，添加到涡流粘度模型中。 Spalart-Allmaras（SA 1eqn）单方程模型 其在航空工业中广泛应用。对于有逆压梯度和分离的流动，它提供了相对于k-s模型更好的性能。总体而言，预测分离的准确性低于SST和GEKO等双方程模型。 SA模型不推荐用于一般用途，因为它不能很好地校准自由剪切流动。它确实能准确预测混合层的扩散速率，但不能预测平面和圆形射流，模型强烈耗散(扩散速率过大)。此外，该模型不能预测自由流湍流的衰减，这对于某些类型的层流湍流过渡预测是很重要的。 而且Fluent中的SA模型也没有扩展到包括： 层流-湍流转换 浮力 应力混合涡流模拟（SBES） 双方程系列模型: Standard k-epsilon Model Realizable k-epsilon Model (RKE) RNG k-epsilon Model (RNGKE) Standard k-omega Model BSL/SST Model GEKO Model 双方程模型是工业流体仿真的主要模型，它们构成了构建块系统的基础，该系统可以包括RANS建模的所有元素。在双方程系列模型中，推荐基于k-w的模型。与基于k-e的模型相比，它们提供了更好的壁面处理，因此更加灵活和准确，特别是对于非平衡流动。 Vogel和Eaton研究了台阶下游流动壁面的剪切应力系数Cf和换热系数St，并采集了实验数据。该研究的网格具有y+<1的良好近壁面网格分辨率。  上图显示了不同湍流模型计算结果的比较。 所有模型变量都基于相同的标准k-e模型。k-e ML(Menter-Lechner)模型是k-e low-Re模型的代表，并抑制了已知k-e模型在再附着点附近对Cf和St的大量过度预测的缺陷。 相同的k-e模型结合基于2层的强化壁处理(EWT)显示出完全不同的行为，传热系数分布非常平坦(但与Cf匹配得更好)。 k-e模型结合V2F方法给出了分离泡大小的过度预测和过高的传热系数分布。V2F模型仅用于比较，没有内置在Fluent与CFX中。 基于k-w的GEKO模型的计算结果和实验数据有最好的一致性。除了子层模型外，GEKO模型是k-e到k-w公式的精确转换。 其他k-ω模型，如BSL/SST模型产生的结果与GEKO非常相似。 上述实例表明，与其他方法相比，基于k-w方程的湍流模型在预测壁面剪切应力和传热分布方面具有更好的性能。 参考文献： J. C. Vogel and J. K. Eaton, “Combined Heat Transfer and Fluid Dynamic Measurements Downstream of a Backward-Facing Step,” Journal of Heat Transfer, vol. 107, no. 4, pp. 922–929, Nov. 1985, doi: 10.1115/1.3247522. —— end —— |
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