湍流理论与大涡模拟
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。
大气湍流机理及其模拟
大气湍流机理及其模拟对于大气系统来说，湍流是一个非常重要的现象，它存在于大气中的许多过程中，如边界层的形成、天气系统的演变等。
湍流丰富了大气的物理现象，但同时也增加了对大气的模拟和预测的难度。
本文将介绍大气湍流的机理和模拟方法。
一、湍流的机理湍流的起因是流体在过程中受到扰动，这些扰动会引起流体的速度、密度等物理量发生变化。
在湍流发展的过程中，流体速度的各向异性和空间的不规则性增大，流体中的大尺度涡旋逐渐分裂成小尺度涡旋，这些小尺度涡旋不断转化能量，最终会被湍流耗散。
湍流的机理非常复杂，目前还没有完全解决。
基于大气湍流机理的研究，可以分为两个方向：传统的湍流建模和基于数据的机器学习方法。
传统湍流建模主要是基于质量、动量和能量守恒等定律，结合统计理论和实验数据，来建立起湍流的物理模型。
而基于数据的机器学习方法，是利用机器学习算法对海量数据进行分析，从而发现湍流的统计规律。
二、湍流的模拟方法湍流模拟的方法有很多，如数值模拟方法、直接数值模拟方法、大涡模拟方法等。
其中，数值模拟方法是目前使用最广泛的湍流模拟方法，主要分为Reynolds平均Navier-Stokes方程（RANS）和雷诺平均Navier-Stokes方程（LES）两类。
RANS方程是基于湍流平均的模型，将流场分解为平均流和湍流脉动，其中平均流体现了湍流的空间分布，湍流脉动则描述了湍流的时间变化。
RANS方程通过假设某些量在湍流平均后不变，来减少不可控因素的影响，从而简化了计算。
但是，由于RANS方程是基于平均流假设的，所以不能准确地模拟湍流的涡旋结构和流体运动过程。
LES方法是一种基于大涡模拟的方法，通过求解Navier-Stokes方程的高频分量，来描述湍流的小尺度结构和动态特征。
由于LES方法可以解决湍流脉动的时间变化，所以能够更精确地模拟湍流的涡旋结构和流体运动过程。
三、结论综上所述，湍流现象是大气系统的一个重要现象，对于天气系统的演变和边界层的形成有着巨大的影响。
湍流数值模拟及其在工程热力学中的应用
湍流数值模拟及其在工程热力学中的应用湍流是自然界和工程中广泛存在的一种流动状态，其具有不规则、不稳定、非线性等特点。
因此，湍流研究成为了流体力学中的一个重要分支。
湍流数值模拟（Large Eddy Simulation）是目前研究湍流问题的重要手段之一，广泛应用于工程热力学中。
湍流数值模拟技术的发展历程湍流数值模拟技术起源于20世纪50年代，当时主要应用于理论模拟。
20世纪80年代后，随着计算机技术的发展，数值模拟技术应用于实际工程中，并得到广泛应用。
近年来，由于计算机性能的不断提高和算法的不断改进，湍流数值模拟技术越来越成熟，其应用范围也更加广泛。
湍流数值模拟技术的基本原理湍流数值模拟技术的基本原理是将流场分为宏观湍流和微观湍流两部分，并通过不同方法对二者进行模拟。
具体而言，宏观湍流采用平均场方程进行模拟，微观湍流则通过小尺度涡结构之间的相互作用进行模拟。
在湍流数值模拟过程中，关键是要准确地描述湍流的能量转移和钝化机制，以便合理地模拟湍流特性。
目前，湍流数值模拟技术主要有两种方法：直接数值模拟和大涡模拟。
直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）是最为精确的湍流数值模拟方法，它直接求解完整的Navier-Stokes方程，但计算量也是最大的。
而在工程应用中，一般采用次网格模型，采用模型对小尺度湍流进行近似处理，减少计算量。
其中，大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）是一种很有代表性的方法，它将外部湍流场分解为大尺度湍流和小尺度湍流两部分，对大尺度湍流进行直接数值模拟，对小尺度湍流采用模型进行处理。
湍流数值模拟在工程热力学中的应用湍流数值模拟技术在工程热力学中有着广泛的应用。
具体而言，湍流数值模拟可以用来模拟涡流管道的流动、火焰、燃烧室和喷气发动机等复杂流场问题。
下面，我们将从两个方面来介绍湍流数值模拟在工程热力学中的应用：（1）流体力学问题湍流数值模拟技术在流体力学问题中得到了广泛应用，例如现代汽车设计中对车身和车厢空气动力学的研究，对于气动设计、噪声控制和气密性等方面的分析有很大的帮助。
高温高速湍流流动理论解释及数值模拟方法
高温高速湍流流动理论解释及数值模拟方法一、引言高温高速湍流流动是指介质在高温和高速条件下出现湍流现象的流动过程。
这种流动现象在航空航天、能源转化、燃烧和化学反应等领域中具有重要的应用，但也面临着诸多挑战。
理解高温高速湍流流动的机理以及采用合适的数值模拟方法来模拟这些流动过程对于相关领域的研究和工程应用至关重要。
二、高温高速湍流流动理论解释高温高速湍流流动的理论解释涉及到湍流的起源、湍流的统计性质以及湍流的能量传递过程。
目前存在多种湍流理论模型，如光照湍流理论、能量谱理论和动能传输理论等。
湍流的起源主要是由于流动中的速度梯度引发的不稳定性产生的。
在高温高速条件下，速度梯度的变化更加剧烈，从而使得流动更易产生湍流现象。
湍流的统计性质包括宏观观测量和微观观测量。
宏观观测量可以通过湍流动能的分布和统计参数来描述，而微观观测量则需要了解湍流中的小尺度结构和统计信息。
湍流的能量传递过程是湍流能量从大尺度向小尺度传递的过程。
这一过程可以通过湍流的能谱来描述，能谱将湍流能量和空间尺度联系起来。
对于高温高速湍流流动，湍流能量的传递过程往往更为复杂，需要采用适当的数值模拟方法来加以分析。
三、数值模拟方法在研究高温高速湍流流动时，数值模拟方法是一种非常有效的手段。
常用的数值模拟方法包括直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）等。
直接数值模拟（DNS）是一种精确模拟湍流流动过程的方法，可以完全解析湍流中的小尺度结构。
然而，由于高温高速湍流流动的复杂性，直接数值模拟的计算量较大，需要高性能计算设备的支持。
因此，直接数值模拟在实际工程应用中的局限性较大。
大涡模拟（LES）是一种介于直接数值模拟（DNS）和雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）之间的方法。
在LES中，较大尺度的湍流结构直接求解，而较小尺度的结构则通过子网格模型来模拟。
这种方法可以在更小的计算量下获得湍流流动的一些重要特征。
湍流模型介绍
湍流模型目前计算流体力学常用的湍流的数值模拟方法主要有以下三种：直接模拟（direct numerical simulation, DNS）直接数值模拟（DNS）特点在湍流尺度下的网格尺寸内不引入任何封闭模型的前提下对Navier-Stokes方程直接求解。
这种方法能对湍流流动中最小尺度涡进行求解，要对高度复杂的湍流运动进行直接的数值计算，必须采用很小的时间与空间步长，才能分辨出湍流中详细的空间结构及变化剧烈的时间特性。
基于这个原因，DNS目前仅限于相对低的雷诺数中湍流流动模型。
另外，利用DNS模型对湍流运动进行直接的数值模拟对计算工具有很高的要求，计算机的内存及计算速度要非常的高，目前DNS模型还无法应用于工程数值计算，还不能解决工程实际问题。
大涡模拟(large eddy simulation, LES)大涡模拟（LES）是基于网格尺度封闭模型及对大尺度涡进行直接求解N-S方程，其网格尺度比湍流尺度大，可以模拟湍流发展过程的一些细节，但其计算量仍很大，也仅用于比较简单的剪切流运动及管流。
大涡模拟的基础是：湍流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的，大尺度涡是高度的非各向同性，而且随流动的情形而异。
大尺度的涡通过相互作用把能量传递给小尺度的涡，而小尺度的涡旋主要起到耗散能量的作用，几乎是各向同性的。
这些对涡旋的认识基础就导致了大涡模拟方法的产生。
Les大涡模拟采用非稳态的N-S方程直接模拟大尺度涡，但不计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模拟来考虑，这种影响称为亚格子Reynolds应力模型。
大多数亚格子Reynolds模型都是将湍流脉动所造成的影响用一个湍流粘性系数，既粘涡性来描述。
LES对计算机的容量和CPU的要求虽然仍然很高，但是远远低于DNS方法对计算机的要求，因而近年来的研究与应用日趋广泛。
应用Reynolds时均方程(Reynolds-averaging equations)的模拟方法许多流体力学的研究和数值模拟的结果表明，可用于工程上现实可行的湍流模拟方法仍然是基于求解Reynolds时均方程及关联量输运方程的湍流模拟方法，即湍流的统观模拟方法。
湍流的几种数值模拟方法
LES特点
抓大不放小 非常有利，有力的工具 是最近,可预见未来流体 力学研究和应用的热点 近来又出现了VLES, DES等在LES上发展而 来的工具
Will RANS survive LES? Hanjalic自问自答
会。Journal of Fluids Engineering -V127, 5, pp. 831-839 (Will RANS
Prandtl(1925)混合长度模型
也被称作零方程模型 还在被广泛应用 廉价，易收敛 基本在流场比较简单，或者对计算结果 精度要求不高或者流场形状比较复杂的 行业中，比如暖通空调，流体机械等。
Prandtl混合长度模型 缺点
最明显的缺点是:当速度梯度 为零的 时候， 消失， 这与事实不符
Launder and Li(1994), Craft and Launder (1995)
目前有很多学者在继续此方面的工作
Brian E. Launder
本科Imperial College, London 硕博 MIT 实验流体力学 1964-1976 Imperial College 讲师
涡流粘度
Eddy viscosity or turbulent viscosity
二维流场分子粘性力
为描述雷诺应力，Boussinesq 1887 定义了与之相对应的
RANS模型的核心在于给出 的数 学表达式，要求精度高，适用范围广
涡流粘度,
Prandtl 1925 Prandtl 1945 Bradshaw 1968 Kolmogorov, 1942 Hanjalic 1970 Rotta 1951 Chou 1945 Davidov 1961
大涡模拟概述
二. 如何封闭过滤后的N-S方程 通过对亚网格应力不同的简化就构成了 不同的亚网格模型。
动态Smagorinsky模型 尺度相似模型 7
二、大涡模拟的基本思想
不可压缩牛顿流体x 方向瞬时量N-S方程：
u t u y
Du Dt F bx P x u
2
v
1 P
1
2
2
G(x x )
0
非均匀盒式 （其他情况）
12
其中， 是过滤尺度
三、过滤函数
• 物理空间的盒式过滤器
盒式过滤器滤波方 法很简单，缺点是 它的傅立叶变换在 某些区间里有负值， 并且由于滤波函数 在单元边界上的间 断性，难以进行微 分运算。
Top-hat （a）物理空间图形；
13
三、过滤函数
ˆ f
F-level
f
小尺度
f
滤波尺度为 ，G-level滤波
k
滤波尺度为
FG-level滤波：
Germano 恒等式： F-滤波+ G-滤波 与 FG滤波之间的关 系式
ij u i u j u i u j
ˆij u i u j u i u j
^
^
ˆ ˆ T ij u i u j u i u
湍流数值模拟方法简介
——大涡模拟
专业：动力机械与工程 姓名：xxxxxx 学号：xxxxxxxx
主要内容
湍流数值模拟方法简介 大涡模拟的基本思想 过滤函数
亚网格模型
2
一、湍流数值模拟方法简介
3
一、湍流数值模拟方法简介
f
~ f ( x ) f ( x ) f ( x )
湍流的理论与分析
湍流的理论与分析湍流是一种复杂的流动形式，并且广泛存在于自然界和工程实践中。
对湍流的理论研究和分析不仅有助于深入理解流体现象，还可以为湍流控制和能源利用等方面提供支持。
本文将从湍流的定义、产生机理、湍流统计理论和湍流模拟等方面进行探讨。
一、湍流的定义湍流是指一种相对瞬态的流体运动状态，其中流体的速度和方向发生剧烈变化，造成流体的混合和扰动，呈现出随机不规则的涡动结构。
与层流（稳态流动）相比，湍流的运动特征更加复杂，无法用简单的数学公式描述。
湍流的主要特征为不规则、随机、涡动等。
二、湍流的产生机理湍流的产生机理复杂，其中包括传统的机械湍流、自然湍流、边界层失稳等多种因素。
机械湍流是由于固体物体运动时与周围介质相互作用产生的湍流现象，如风力机翼片和涡轮机叶片的湍流。
自然湍流是由于自然界中各种复杂流动引起的，如河流、海洋和大气的运动等。
边界层失稳是当涡旋从高速的流动区进入低速的流动区时产生的，例如水流从管道进入膨胀段时发生的湍流现象。
三、湍流统计理论湍流统计理论是对湍流运动规律的理论分析，是研究湍流基本性质和湍流现象的一种方法。
湍流统计理论中有两个重要的概念，一个是湍流的集成时间，另一个是湍流脉动，这两个概念分别给出了湍流时间与空间扰动中的统计特征。
其中湍流的集成时间是指机械能向湍流能转化和湍流能转化为机械能时所需的时间因子，而脉动是指在一个给定点的流动路径上，流体参数波动的相对不稳定性。
四、湍流模拟湍流模拟是一种基于数值计算的湍流研究方法，主要有两种方式：直接数值模拟（DNS）和大涡模拟（LES）。
直接数值模拟是对湍流运动的一种高精度的数值计算方法，它通过离散化流动中的微小物理尺度，运用数值方法以求解流场运动方程，得到高精度的湍流场数据。
但DNS需要的计算量庞大，计算成本高昂。
大涡模拟是在保留湍流中大尺度涡旋信息的同时，模拟和模拟所得的速度与涡旋脉动能谱于实验结果的吻合程度。
而LES所需要的计算量较之DNS低，同时保留的流场尺度也比DNS更大，能够得到更加直观的湍流现象展示。
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大涡模拟
其它亚格子模型： 零方程模型 一方程模型 双方程模型 雷诺应力七方程模型 其它亚格子模型
完毕 谢谢
பைடு நூலகம்
Kolmogorov关于湍流涡的空间分布的 稳定性假定是不正确的。湍流运动存在 间歇性。为什么存在间歇性？
湍流认识的突破柯氏理论
Kolmogorov假定存在着这样或者那样 的不足和缺陷，但这个假定从统计的角 度研究湍流已经成为一个突破口，也形 成了一个大的学派。从Kolmogorov假 定发表以来，科学家基本都转向了关于 标度率的研究。也许是一个高度非线性 的函数吧！
湍流-历史悠久的问题
几乎所有伟大的物理学家都正式或非正式的 思考过它。
对于大多数物理学家来说，湍流是过于危险 的课题而不必为之浪费时间。
对于几乎所有的数学家来说，N-S方程解的 存在性和唯一性证明应该是无法完成的，不 必为之浪费时间。
湍流-历史悠久的问题
我死后想带着两个问题去问上帝，一个是量 子力学，一个是湍流，但我相信第一个问题 上帝那里是后答案的。
湍流认识的突破柯氏理论
Kolmogorov通过假 设推导出了一维能谱 的负三分之五定律。 也称为标度率。
惯性子尺度的涡具有 统计意义上的各项同 性的性质，为更为普 适性的湍流模型奠定 了理论基础。
湍流认识的突破柯氏理论
Kolmogorov关于任何雷诺数下耗散尺 度涡的尺寸是不变的假定是不正确的。 雷诺数越高，耗散尺度的尺寸越小。为 什么？
雷诺平均将所有尺度的脉动（涡）全部抹平， 简化了问题，但也带来了弊端。如无法较好 地描述大尺度涡的基本特性，线性化假定无 法较好地描述涡能量的传输。
湍流-历史悠久的问题
拟序结构与随机脉动相互作用：1、完全确 定和完全随机的方法都不成功，大尺度涡具 有拟序结构（相干结构）；2、拟序结构上 的统计力学。
湍流认识的突破柯氏理论
在含能区域和耗散区域中间存在一个区域，该区域 即远离含能区域又远离耗散区域理论上该区域即不 含能也不耗散能量，称为惯性子区域。
湍流认识的突破柯氏理论
湍流不断地从边界处获得能量形成大尺度的 涡，大尺度的涡具有高度各项异性的性质， 从而不断地破碎为小尺度的涡，大尺度涡的 能量逐级传递给小尺度的涡，小尺度涡接受 大尺度涡传来的能量而不耗散掉，小尺度涡 继续把大尺度涡传来的能量传递给更小尺度 的涡，由于惯性子区域远离耗散区域，这股 能量保持它的大小继续传递给耗散尺度的涡， 耗散尺度的涡将能量耗散掉。
大涡模拟
大涡模拟
大涡模拟是一种湍流模式。是近30年发展起 来的一种模拟湍流的湍流模式。它是一种空 间意义上的平均，大尺度涡直接模拟，小尺 度涡对大尺度涡的影响采用亚格子模型来模 化。
理论上大涡模拟能够更好地模拟大尺度涡的 基本特性，与雷诺平均相比有相当大的优越 性。
大涡模拟
大涡模拟通过滤波将大尺度涡与小尺度涡分 离开。
-海森堡
所有关于湍流的研究进展，本质上是湍流解 一种逐渐逼近。
-周培源
湍流-历史悠久的问题
人们认识湍流已经有五个世纪之久。 能量极快从大尺度运动传向小尺度运动。这
是为什么？ N-S方程解是否存在和唯一。如何证明？ 十九世纪，湍流是物理学的前沿问题。 当代，物理学家对湍流非常冷漠，认为它已
湍流理论与大涡模拟
汇报内容
湍流-历史悠久的问题 柯氏理论-湍流中最辉煌的一个
成就 大涡模拟
湍流 历史悠久的问题
湍流-历史悠久的问题
湍流-历史悠久的问题
湍流-历史悠久的问题
湍流-历史悠久的问题
1821年由C.-L.-M.-H.纳维和 1845年由G.G.斯托克斯分别导 出而得名。
1883年雷诺通过实验发现湍流的 产生条件。
不同尺度上的强耦合：1、不同尺度涡的相 互作用；2、多个物理过程的强耦合。
湍流-历史悠久的问题
湍流运动远没有达到分子量级，因此无论湍 流多么复杂，非定常的N-S方程都是可以描 述的。
柯氏理论
湍流中最辉煌的一个成就
湍流-认识的突破柯氏理论
经过长期对湍流的研究，人们逐渐认识到， 当雷诺数足够大时湍流中的含能区域和耗散 区域几乎是完全分离的。
经不是物理学的一部分了；它只是工程问题。
湍流-历史悠久的问题
通常在大学工程系才会更多地碰到流体动力 学学家。
湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转 的不规则流动。在湍流中的流体的各种物理 参数，如速度、压力、温度等都随时间与空 间发生随机的变化。 -较权威的定义。
湍流-历史悠久的问题
雷诺通过实验发现了湍流产生的条件，并通 过时间平均（雷诺平均）来描述湍流，简化 了处理问题的难度，得到了广泛地应用。
滤波器主要有：盒式滤波器，高斯滤波器和 低通滤波器。
其中高斯滤波器物理空间和谱空间波形一致。
大涡模拟
大涡模拟
令
可得：
大涡模拟
上式变为
式中 需要亚格子模型来闭合
大涡模拟
主要亚格子模型： Smagrorinsky常系数涡粘模型 Smagrorinsky-Lilly涡粘模型 拉格朗日动力涡粘模型 尺度相似模型（同一滤波器和第二次大于第
湍流认识的突破柯氏理论
Kolmogorov根据这一湍流能量的传输机制认 为：在高雷诺数湍流中的某一尺度范围内， 湍流脉动可以被认为独立于大尺度运动的子 系综，一方面有源源不断的大尺度涡的能量 输入到该尺度的涡；另一方面该尺度的涡又 将大尺度涡的能量输出给耗散尺度的涡，从 而该子系综达到统计意义上的局部平衡态。