FLUENT中常用的湍流模型
湍流模型及其在FLUENT软件中的应用

湍流模型及其在FLUENT软件中的应用一、本文概述湍流,作为流体动力学中的一个核心概念,广泛存在于自然界和工程实践中,如大气流动、水流、管道输送等。
由于其高度的复杂性和非线性特性,湍流一直是流体力学领域的研究重点和难点。
随着计算流体力学(CFD)技术的快速发展,数值模拟已成为研究湍流问题的重要手段。
其中,湍流模型的选择和应用对于CFD模拟结果的准确性和可靠性具有决定性的影响。
本文旨在深入探讨湍流模型的基本理论及其在FLUENT软件中的应用。
我们将简要回顾湍流的基本概念、特性和分类,为后续的模型介绍和应用奠定基础。
接着,我们将详细介绍几种常用的湍流模型,包括雷诺平均模型(RANS)、大涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)等,并重点分析它们的适用范围和优缺点。
在此基础上,我们将重点关注FLUENT软件在湍流模拟方面的应用。
FLUENT作为一款功能强大的CFD软件,提供了丰富的湍流模型供用户选择。
我们将通过具体案例,展示如何在FLUENT中设置和应用不同的湍流模型,以及如何通过参数调整和结果分析来优化模拟效果。
我们还将探讨湍流模型选择的影响因素和最佳实践,以帮助读者更好地理解和应用湍流模型。
本文将对湍流模型在FLUENT软件中的应用进行总结和展望,分析当前存在的问题和挑战,并探讨未来的发展趋势和应用前景。
通过本文的阅读,读者可以全面了解湍流模型的基本理论及其在FLUENT 软件中的应用方法,为实际工程问题的解决提供有力的理论支持和技术指导。
二、湍流基本理论湍流,亦被称为乱流或紊流,是一种流体动力学现象,其特点是流体质点做极不规则而又连续的随机运动,同时伴随有能量的传递和耗散。
湍流与层流相对应,是自然界和工程实践中广泛存在的流动状态。
湍流流动的基本特征是流体微团运动的随机性和脉动性,即流体微团除有沿平均运动方向的运动外,还有垂直于平均运动方向的脉动运动。
这种脉动运动使得流体微团在运动中不断混合,流速、压力等物理量在空间和时间上均呈现随机性质的脉动和涨落。
fluent k-epsilon模型 公式

fluent k-epsilon模型公式
k-epsilon模型是一种常用的湍流模型,用于描述流体中湍流运动的特性。
它基于湍流能量和湍流速度脉动的方程来描述湍流的发展和衰减。
k方程描述了湍流能量的传输与产生,而epsilon方程描述了湍流速度脉动的耗散。
k表示湍流能量,epsilon表示湍流速度脉动的耗散率。
k方程的一般形式为:
∂(ρk)/∂t + ∂(ρuk)/∂x + ∂(ρvk)/∂y + ∂(ρwk)/∂z = Pk - εk + ∂/∂x[(μ+μt)/σk ∂(ρk)/∂x] + ∂/∂y[(μ+μt)/σk ∂(ρk)/∂y] + ∂/∂z[(μ+μt)/σk ∂(ρk)/∂z]
epsilon方程的一般形式为:
∂(ρε)/∂t + ∂(ρuε)/∂x + ∂(ρvε)/∂y + ∂(ρwε)/∂z = C1ε(ε/k)Pk - C2ε(ε^2/k) + ∂/∂x[(μ+μt)/σε ∂(ρε)/∂x] + ∂/∂y[(μ+μt)/σε ∂(ρε)/∂y] + ∂/∂z[(μ+μt)/σε ∂(ρε)/∂z] + C3εG
其中,Pk表示湍流能量项的产生率,εk表示湍流能量项的耗散率,u、v、w分别表示流体速度的x、y、z分量,ρ表示流体密度,μ表示动力粘度,μt表示湍流粘度,σk、σε分别为湍流能量和湍流速度脉动耗散率的可靠性修正参数,C1、C2、C3为经验常数,G 为湍流剪切产生项。
需要注意的是,上述公式只是k-epsilon模型的一般形式,在实
际应用中可能会根据具体问题进行适当调整或改进。
常用湍流模型及其在FLUENT软件中的应用

常用湍流模型及其在FLUENT软件中的应用常用湍流模型及其在FLUENT软件中的应用湍流是流体运动中不可避免的现象,它具有无规则、随机和混沌等特点,对于流体力学研究和工程应用具有重要影响。
为了更好地模拟流体运动中的湍流现象,并进行相关的工程计算和优化设计,科学家们提出了许多湍流模型。
本文将介绍一些常用的湍流模型,并探讨它们在流体动力学软件FLUENT中的应用。
1. 动力学湍流模型(k-ε模型)动力学湍流模型是最为经典和常用的湍流模型之一,主要通过求解湍流动能k和湍流耗散率ε来模拟湍流运动。
这一模型主要适用于较为简单的湍流流动,如外部流场和平稳湍流流动。
在FLUENT软件中,用户可以选择不同的k-ε模型进行计算,并对模型参数进行调整,以获得更准确的湍流模拟结果。
2. Reynolds应力传输方程模型(RSM模型)RSM模型是基于雷诺应力传输方程的湍流模型,它通过求解雷诺应力分量来描述湍流的速度脉动特性。
相比于动力学湍流模型,RSM模型适用于复杂的湍流流动,如边界层分离流动和不可压缩流动。
在FLUENT软件中,用户可以选择RSM模型,并对模型参数进行优化,以实现对湍流流动的更精确模拟。
3. 混合湍流模型混合湍流模型是将多个湍流模型相结合,以更好地模拟不同湍流流动。
常见的混合湍流模型有k-ε和k-ω模型的组合(k-ε/k-ω模型)和k-ε模型和RSM模型的组合(k-ε/RSM模型)等。
在FLUENT软件中,用户可以选择不同的混合模型,并根据具体的流动特征进行模型参数调整,以实现更准确的湍流模拟。
除了上述介绍的常用湍流模型外,FLUENT软件还提供了其他的湍流模型选择,如近壁函数模型(近壁k-ω模型、近壁k-ε模型)、湍流耗散模型(SD模型)、多场湍流模型(尺度能量模型)等。
这些模型针对不同的湍流现象和流动特性,提供了更加丰富和精确的模拟方法。
在FLUENT软件中,用户可以根据具体的工程问题和流动特性选择合适的湍流模型,并进行相应的设置和参数调整。
第3章,fluent湍流模型-1

第三章,湍流模型第一节, 前言湍流流动模型很多,但大致可以归纳为以下三类: 第一类是湍流输运系数模型,是Boussinesq 于1877年针对二维流动提出的,将速度脉动的二阶关联量表示成平均速度梯度与湍流粘性系数的乘积。
即:U iU 1U 2 t3 — 1X 2 推广到三维问题,若用笛卡儿张量表示,即有:U iU j 2( …U i U j tk j3—2x jx i3模型的任务就是给出计算湍流粘性系数t 的方法。
根据建立模型所需要的微分方程的数目,可以分为零方程模型(代数方程模型),单方程模型和双方程模型。
第二类是抛弃了湍流输运系数的概念,直接建立湍流应力和其它二阶关联量的输运方程。
第三类是大涡模拟。
前两类是以湍流的统计结构为基础,对所有涡旋进行统计平均。
大 涡模拟把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流,通过求解三维经过修正的Navier-Stokes 方程,得到大涡旋的运动特性,而对小涡旋运动还采用上述的模型。
实际求解中,选用什么模型要根据具体问题的特点来决定。
选择的一般原则是精度要高, 应用简单,节省计算时间,同时也具有通用性。
FLUENT 提供的湍流模型包括:单方程( Spalart-Allmaras )模型、双方程模型(标准K -&模型、重整化群K - &模型、可实现(Realizable) K - &模型)及雷诺应力模型和大涡模拟。
Direct Numerical Simulatio n湍流模型种类示意图包含更多 物理机理iZero-Equati on Models :: ----------------- : -------------------- h:0n e-Equation Models ::Spalart-Allmaras ;:Two-Equatio n Models : ; Sta ndard k- ; : RNG k - ;*1Realizable k- ,1;:Reynolds-Stress Model >: ______________________ :Large-Eddy Simulati onRANS-basedmodels' FLUENT 提供的模型选 择每次迭代 计算量增加第二节,平均量输运方程雷诺平均就是把Navier-Stokes方程中的瞬时变量分解成平均量和脉动量两部分。
fluent中常见的湍流模型及各自应用场合

标题:深入探讨fluent中常见的湍流模型及各自应用场合在fluent中,湍流模型是模拟复杂湍流流动的重要工具,不同的湍流模型适用于不同的流动情况。
本文将深入探讨fluent中常见的湍流模型及它们各自的应用场合,以帮助读者更深入地理解这一主题。
1. 简介湍流模型是对湍流流动进行数值模拟的数学模型,通过对湍流运动的平均值和湍流运动的涡旋进行描述,以求解湍流运动的平均流场。
在fluent中,常见的湍流模型包括k-ε模型、k-ω模型、LES模型和DNS模型。
2. k-ε模型k-ε模型是最常用的湍流模型之一,在工程领域有着广泛的应用。
它通过求解两个方程来描述湍流场,即湍流能量方程和湍流耗散率方程。
k-ε模型适用于对流动场变化较为平缓的情况,如外流场和边界层内流动。
3. k-ω模型k-ω模型是另一种常见的湍流模型,在边界层内流动和逆压力梯度流动情况下有着良好的适用性。
与k-ε模型相比,k-ω模型对于边界层的模拟更加准确,能够更好地描述壁面效应和逆压力梯度情况下的流动。
4. LES模型LES(Large Ey Simulation)模型是一种计算密集型的湍流模拟方法,适用于对湍流细节结构和湍流的大尺度结构进行同时模拟的情况。
在fluent中,LES模型通常用于对湍流尾流、湍流燃烧和湍流涡流等复杂湍流流动进行模拟。
5. DNS模型DNS(Direct Numerical Simulation)模型是一种对湍流流动进行直接数值模拟的方法,适用于小尺度湍流结构的研究。
在fluent中,DNS模型常用于对湍流的微观结构和湍流的小尺度特征进行研究,如湍流能量谱和湍流的空间分布特性等。
总结与回顾通过本文的介绍,我们可以看到不同的湍流模型在fluent中各有其适用的场合。
从k-ε模型和k-ω模型适用于工程领域的实际流动情况,到LES模型和DNS模型适用于研究湍流细节结构和小尺度特征,每种湍流模型都有其独特的优势和局限性。
FLUENT提供的湍流模型.

FLUENT提供的湍流模型Spalart-Allmaras 模型k-e 模型-标准k-e 模型-Renormalization-group (RNG k-e模型-带旋流修正k-e模型k-ω模型-标准k-ω模型-压力修正k-ω模型-雷诺兹压力模型The Spalart-Allmaras 模型对于解决动力漩涡粘性,Spalart-Allmaras 模型是相对简单的方程。
它包含了一组新的方程,在这些方程里不必要去计算和剪应力层厚度相关的长度尺度。
Spalart-Allmaras 模型是设计用于航空领域的,主要是墙壁束缚流动,而且已经显示出和好的效果。
在透平机械中的应用也愈加广泛。
在原始形式中Spalart-Allmaras 模型对于低雷诺数模型是十分有效的,要求边界层中粘性影响的区域被适当的解决。
在FLUENT中,Spalart-Allmaras 模型用在网格划分的不是很好时。
这将是最好的选择,当精确的计算在湍流中并不是十分需要时。
再有,在模型中近壁的变量梯度比在k-e模型和k-ω模型中的要小的多。
这也许可以使模型对于数值的误差变得不敏感。
想知道数值误差的具体情况请看5.1.2。
需要注意的是Spalart-Allmaras 模型是一种新出现的模型,现在不能断定它适用于所有的复杂的工程流体。
例如,不能依靠它去预测均匀衰退,各向同性湍流。
还有要注意的是,单方程的模型经常因为对长度的不敏感而受到批评,例如当流动墙壁束缚变为自由剪切流。
标准k-e模型最简单的完整湍流模型是两个方程的模型,要解两个变量,速度和长度尺度。
在FLUENT中,标准k-e模型自从被Launder and Spalding提出之后,就变成工程流场计算中主要的工具了。
适用范围广、经济,有合理的精度,这就是为什么它在工业流场和热交换模拟中有如此广泛的应用了。
它是个半经验的公式,是从实验现象中总结出来的。
由于人们已经知道了k-e模型适用的范围,因此人们对它加以改造,出现了RNG k-e模型和带旋流修正k-e模型k-ε模型中的K和ε物理意义:k是紊流脉动动能(J,ε是紊流脉动动能的耗散率(%k越大表明湍流脉动长度和时间尺度越大,ε越大意味着湍流脉动长度和时间尺度越小,它们是两个量制约着湍流脉动。
fluent udf 湍流参数

fluent udf 湍流参数湍流参数是湍流模拟中的一个重要概念,它决定了模拟结果的准确性和可靠性。
在Fluent UDF中,我们可以通过定义和调整湍流参数来改善模拟结果,使其更符合实际情况。
本文将介绍几个常见的湍流参数,并探讨它们对模拟结果的影响。
一、湍流模型选择在Fluent UDF中,我们可以选择不同的湍流模型来描述流体中的湍流运动。
常见的湍流模型有k-ε模型、k-ω模型、SST模型等。
每种模型都有其适用的领域和局限性。
在选择湍流模型时,需要根据具体应用场景和模拟目标来进行选择。
二、湍流粘度湍流粘度是一个重要的湍流参数,它决定了流体中湍流运动的强度。
在Fluent UDF中,我们可以通过调整湍流粘度来改变湍流模拟的结果。
一般情况下,湍流粘度越大,湍流运动越强烈;湍流粘度越小,湍流运动越弱。
三、湍流能量和湍流耗散率湍流能量和湍流耗散率是描述湍流运动特征的两个重要参数。
在Fluent UDF中,我们可以通过调整湍流能量和湍流耗散率来改变湍流模拟的结果。
湍流能量越大,湍流运动越强烈;湍流耗散率越大,湍流运动越剧烈。
四、湍流涡粘度比湍流涡粘度比是湍流模拟中的一个重要参数,它描述了湍流涡的扩散和耗散特性。
在Fluent UDF中,我们可以通过调整湍流涡粘度比来改变湍流模拟的结果。
湍流涡粘度比越大,湍流涡的扩散和耗散越强;湍流涡粘度比越小,湍流涡的扩散和耗散越弱。
五、湍流时间尺度湍流时间尺度是描述湍流运动时间特征的一个重要参数。
在Fluent UDF中,我们可以通过调整湍流时间尺度来改变湍流模拟的结果。
湍流时间尺度越小,湍流运动的时间特征越短暂;湍流时间尺度越大,湍流运动的时间特征越持久。
六、湍流强度湍流强度是描述湍流运动强度的一个重要参数。
在Fluent UDF中,我们可以通过调整湍流强度来改变湍流模拟的结果。
湍流强度越大,湍流运动越强烈;湍流强度越小,湍流运动越弱。
七、湍流长度尺度湍流长度尺度是描述湍流涡的空间特征的一个重要参数。
几种湍流模型及其在FLUENT中的应用

目前,湍流模型理论虽在理论严谨性方面不断提
用[M].北京:清华大学出版社,2004.
高,也能处理一些复杂的流动问题,但由于湍流本
[3] 陶文栓.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,
身的复杂性,现阶段还没有找到对任何问题数值模
200L
H-H洲HHH 拟都很好的模型。从工程应用的角度去看,对湍流
Realizable,c一8模型是由Shih T H等人在1995 年提出的。在该方程中,关于,c和占的输运方程如 下所示:
景(p,c)+未(删j)
2爿(¨“眠J1+GK+Gb-PC-yM蝇(5)
盖(胪)+未(舢;)
=爿(肛+∥t',/眠a占J1啊一如
一pCz孑K+、 忑, +cute。专c,K 。G“+5。
·Eli)1尼詈一=丢(垫oaxj+孙
与标准K一占模型相比,RNG K一占湍流模型 的最大特点在于占方程产生项的系数c0的计算中 引入了主流的时均应变率Eijo这样在RNG K一占 模型中c,-的值不仅与流动情况有关,而且在同一 问题中也是空间坐标的函数。RNG,c一占模型考虑 了流动中的旋转及旋流流动情况,可以更好地处理 高应变率及流线弯曲程度较大的流动。 1.3 Realizable K一占模型
书*q
(收稿日期:2008—09—24)
一
九江石化研发生产改性聚丙烯专用料
针对国内透明聚丙烯市场前景广阔,中同石化股份公 司九江石化公司及时抓住市场机遇,充分发挥研制、开 发、生产一条龙优势,研发生产改性聚丙烯专用料新产 品,发挥中型工业牛产试验生产装置的作用,攻克小试产 品进行工业放大的难关。形成大批昔工业生产改性聚丙烯 专用料的能力,并迅速将科研成果转化为商品行销市场。 2008年,九江石化公司共生产聚丙烯11.32万t,生产膜 料T36F、拉丝T30S等聚丙烯专用料占总产量的80%,不 仅满足了市场需求,而且取得f良好的经济效益,成为企 业新的效益增长点。
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The Spalart-Allmaras模型
对于解决动力漩涡粘性,Spalart-Allmaras 模型是相对简单的方程。
它包含了一组新的方程,在这些方程里不必要去计算和剪应力层厚度相关的长度尺度。
Spalart-Allmaras 模型是设计用于航空领域的,主要是墙壁束缚流动,而且已经显示出很好的效果。
在透平机械中的应用也愈加广泛。
在原始形式中Spalart-Allmaras 模型对于低雷诺数模型是十分有效的,要求边界层中粘性影响的区域被适当的解决。
在FLUENT中,Spalart-Allmaras 模型用在网格划分的不是很好时。
这将是最好的选择,当精确的计算在湍流中并不是十分需要时。
再有,在模型中近壁的变量梯度比在k-e模型和k-ω模型中的要小的多。
这也许可以使模型对于数值的误差变得不敏感。
想知道数值误差的具体情况请看5.1.2。
需要注意的是Spalart-Allmaras 模型是一种新出现的模型,现在不能断定它适用于所有的复杂的工程流体。
例如,不能依靠它去预测均匀衰退,各向同性湍流。
还有要注意的是,单方程的模型经常因为对长度的不敏感而受到批评,例如当流动墙壁束缚变为自由剪切流。
标准k-e模型
最简单的完整湍流模型是两个方程的模型,要解两个变量,速度和长度尺度。
在FLUENT中,标准k-e模型自从被Launder and Spalding提出之后,就变成工程流场计算中主要的工具了。
适用范围广、经济,有合理的精度,这就是为什么它在工业流场和热交换模拟中有如此广泛的应用了。
它是个半经验的公式,是从实验现象中总结出来的。
由于人们已经知道了k-e模型适用的范围,因此人们对它加以改造,出现了RNG k-e模型和带旋流修正k-e 模型。
k-ε模型中的K和ε物理意义:k是紊流脉动动能(J),ε是紊流脉动动能的耗散率(%);k越大表明湍流脉动长度和时间尺度越大,ε越大意味着湍流脉动长度和时间尺度越小,它们是两个量制约着湍流脉动。
RNG k-e模型
RNG k-e模型来源于严格的统计技术。
它和标准k-e模型很相似,但是有以下改进:
•RNG模型在e方程中加了一个条件,有效的改善了精度。
•考虑到了湍流漩涡,提高了在这方面的精度。
•RNG理论为湍流Prandtl数提供了一个解析公式,然而标准k-e模型使用的是用户提供的常数。
•然而标准k-e模型是一种高雷诺数的模型,RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。
这些公式的效用依靠正确的对待近壁区域
这些特点使得RNG k-e模型比标准k-e模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。
带旋流修正的k-e模型
带旋流修正的k-e模型是近期才出现的,比起标准k-e模型来有两个主要的不同点。
•带旋流修正的k-e模型为湍流粘性增加了一个公式。
•为耗散率增加了新的传输方程,这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程。
术语“realizable”,意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束,湍流的连续性。
带旋流修正的k-e模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测。
而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。
带旋流修正的k-e模型和RNG k-e模型都显现出比标准k-e模型在强流线弯曲、漩涡和旋转有更好的表现。
由于带旋流修正的k-e模型是新出现的模型,所以现在还没有确凿的证据表明它比RNG k-e模型有更好的表现。
但是最初的研究表明带旋流修正的k-e模型在所有k-e模型中流动分离和复杂二次流有很好的作用。
带旋流修正的k-e模型的一个不足是在主要计算旋转和静态流动区域时不能提供自然的湍流粘度。
这是因为带旋流修正的k-e模型在定义湍流粘度时考虑了平均旋度的影响。
这种额外的旋转影响已经在单一旋转参考系中得到证实,而且表现要好于标准k-e模型。
由于这些修改,把它应用于多重参考系统中需要注意。
标准k-ω模型
标准k-ω模型是基于Wilcox k-ω模型,它是为考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播而修改的。
Wilcox k-ω模型预测了自由剪切流传播速率,像尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射,因而可以应用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。
标准k-e模型的一个变形是SST k-ω模型,它在FLUENT中也是可用的,将在10.2.9中介绍它。
剪切压力传输(SST)k-ω模型
SST k-ω模型由Menter发展,以便使得在广泛的领域中可以独立于k-e模型,使得在近壁自由流中k-ω模型有广泛的应用范围和精度。
为了达到此目的,k-e模型变成了k-ω公式。
SST k-ω模型和标准k-ω模型相似,但有以下改进:
•SST k-ω模型和k-e模型的变形增长于混合功能和双模型加在一起。
混合功能是为近壁区域设计的,这个区域对标准k-ω模型有效,还有自由表面,这对k-e模型的变形有效。
•SST k-ω模型合并了来源于ω方程中的交叉扩散。
•湍流粘度考虑到了湍流剪应力的传波。
•模型常量不同。
这些改进使得SST k-ω模型比标准k-ω模型在在广泛的流动领域中有更高的精度和可信度。
雷诺压力模型(RSM)
在FLUENT中RSM是最精细制作的模型。
放弃等方性边界速度假设,RSM使得雷诺平均N-S方程封闭,解决了关于方程中的雷诺压力,还有耗散速率。
这意味这在二维流动中加入了四个方程,而在三维流动中加入了七个方程。
由于RSM比单方程和双方程模型更加严格的考虑了流线型弯曲、漩涡、旋转和张力快速变化,它对于复杂流动有更高的精度预测的潜力。
但是这种预测仅仅限于与雷诺压力有关的方程。
压力张力和耗散速率被认为是使RSM模型预测精度降低的主要因素。
RSM模型并不总是因为比简单模型好而花费更多的计算机资源。
但是要考虑雷诺压力的各向异性时,必须用RSM模型。
例如飓风流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流。
计算成效:cpu时间和解决方案
从计算的角度看Spalart-Allmaras模型在FLUENT中是最经济的湍流模型,虽然只有一种方程可以解。
由于要解额外的方程,标准k-e模型比Spalart-Allmaras模型耗费更多的计算机资源。
带旋流修正的k-e模型比标准k-e模型稍微多一点。
由于控制方程中额外的功能和非线性,RNGk-e模型比标准k-e模型多消耗10~15%的CPU时间。
就像k-e模型,k-ω模型也是两个方程的模型,所以计算时间相同。
比较一下k-e模型和k-ω模型,RSM模型因为考虑了雷诺压力而需要更多的CPU时间。
然而高效的程序大大的节约了CPU时间。
RSM模型比k-e模型和k-ω模型要多耗费50~60%的CPU时间,还有15~20%的内存。
除了时间,湍流模型的选择也影响FLUENT的计算。
比如标准k-e模型是专为轻微的扩散设计的,然而RNG k-e模型是为高张力引起的湍流粘度降低而设计的。
这就是RNG模型的缺点。
同样的,RSM模型需要比k-e模型和k-ω模型更多的时间因为它要联合雷诺压力和层流。