第10章 FLUENT湍流模型
fluent 湍流模型
10.10.1 湍流选项湍流模型可用的不同的选项在10.3到10.7节已经详细的介绍过了。
这里将提供这些选项的用法。
如果你选择的是Spalart-Allmaras 模型，下列选项是有用的：● Vorticity-based production （基于漩涡的产出）● Strain/vorticity-based production （基于应变/漩涡的产出）● Viscous heating （对耦合算法总是激活）如果你选择的是标准的ε-k 模型或是可实行的ε-k 模型，下列选项是有用的： ● Viscous heating （对耦合算法总是激活）● Inclusion of buoyancy effects on ε（包含浮力对ε的影响）如果你选择的是RNG ε-k 模型，下列选项是有用的：● Differential viscosity model （微分粘性模型）● Swirl modification （涡动修正）● Viscous heating （对耦合算法总是激活）● Inclusion of buoyancy effects on ε（包含浮力对ε的影响）如果你选择的是标准的ω-k 模型，下列选项是有用的：● Transitional flows● Shear flow corrections● Viscous heating （对耦合算法总是激活）如果你选择的是剪切-应力传输ω-k 模型，下列选项是有用的：● Transitional flows （过渡流）● Viscous heating （对耦合算法总是激活）如果你选择的是雷诺应力模型（RSM ），下列选项是有用的：● Wall reflection effects on Reynolds stresses （壁面反射对雷诺应力的影响） ● Wall boundary conditions for the Reynolds stresses from the k equation （雷诺应力的壁面边界条件来自k 方程）● Quadratic pressure-strain model （二次的压力－应变模型）● Viscous heating （对耦合算法总是激活）● Inclusion of buoyancy effects on ε（包含浮力对ε的影响）如果你选择的是增强壁面处理（对ω-k 模型和雷诺应力模型可用），下列选项是有用的：● Pressure gradient effects （压力梯度的影响）● Thermal effects （热影响）如果你选择的是大漩涡模拟（LES ），下列选项是有用的：● Smagorinsky-Lilly model for the subgrid-scale viscosity● RNG model for the subgrid-scale viscosity● Viscous heating （对耦合算法总是激活）10．2．4 The Spalart-Allmaras 模型Spalart-Allmaras模型是设计用于航空领域的，主要是墙壁束缚流动。
(word完整版)fluent湍流模型总结,推荐文档
一般来说，DES和LES是最为精细的湍流模型，但是它们需要的网格数量大，计算量和内存需求都比较大，计算时间长，目前工程应用较少。
S-A模型适用于翼型计算、壁面边界层流动，不适合射流等自由剪切流问题。
标准K-Epsilon模型有较高的稳定性、经济性和计算精度，应用广泛，适用于高雷诺数湍流，不适合旋流等各相异性等较强的流动。
RNG K-Epsilon模型可以计算低雷诺数湍流，其考虑到旋转效应，对强旋流计算精度有所提供。
Realizable K-Epsilon模型较前两种模型的有点是可以保持雷诺应力与真实湍流一致，可以更加精确的模拟平面和圆形射流的扩散速度，同时在旋流计算、带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计算结果更符合真实情况，同时在分离流计算和带二次流的复杂流动计算中也表现出色。
但是此模型在同时存在旋转和静止区的计算中，比如多重参考系、旋转滑移网格计算中，会产生非物理湍流粘性。
因此需要特别注意。
专用于射流计算的Realizable k-ε模型。
标准K-W模型包含了低雷诺数影响、可压缩性影响和剪切流扩散，适用于尾迹流动、混合层、射流、以及受壁面限制的流动附着边界层湍流和自由剪切流计算。
SST K-W模型综合了K-W模型在近壁区计算的优点和K-Epsilon模型在远场计算的优点，同时增加了横向耗散导数项，在湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的输运过程，适用更广，可以用于带逆压梯度的流动计算、翼型计算、跨声速带激波计算等。
雷诺应力模型没有采用涡粘性各向同性假设，在理论上比前面的湍流模型要精确的多，直接求解雷诺应力分量（二维5个，三维7个）输运方程，适用于强旋流动，如龙卷风、旋流燃烧室计算等。
！！！！！所以在选择湍流模型时要注意各个模型是高雷诺数模型还是低雷诺数模型，前者采用壁面函数时，应该避免使用太好（对壁面函数方法）或太粗劣（对增强函数处理方法）的网格。
而对于低雷诺数模型，壁面应该有好的网格。
ansysFLUENT湍流模型PPT课件
对一般问题，我们需要导出偏微分输运方程组来计算涡粘系数
湍动能k 启发了求解涡粘模型的物理机理
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涡粘模型
涡粘系数类似于动量扩散效应中的分子粘性
涡粘系数不是流体的属性，是一个湍流的特征量，随着流体流动 的位置而改变。
– 模型参数通过试验数据校验过，如管流、平板流等 – 对大多数应用有很好的稳定性和合理的精度 – 包括适用于压缩性、浮力、燃烧等子模型
SKE 局限性:
– 对有大的压力梯度、强分离流、强旋流和大曲率流动，模拟精度 不够。
– 难以准备模拟出射流的传播 – 对有大的应变区域（如近分离点），模拟的k 偏大
-
Fully turbulent region (log law region)
y is the normal distance
Upper limit of log
from the wall.
law region depends
on Reynolds number
近壁面处无量纲的速度分布图
对平衡的湍流边界层来说，半对数曲线的线性段叫做边界层一致性定
Eddy viscosity
– 雷诺应力模型 (RSM): 求解六个雷诺应力项（加上耗散率方程） 的偏微分输运方程组
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涡粘模型
量纲分析表明，如果我们知道必要的几个尺度（如速度尺度、长 度尺度），涡粘系数就可以确定出来
– 例如，给定速度尺度和长度尺度，或速度尺度和时间尺度，涡粘 系数就被确定，RANS方程也就封闭了
fluent湍流模型
第十章湍流模型本章主要介绍Fluent所使用的各种湍流模型及使用方法。
各小节的具体内容是：10．1 简介10．2 选择湍流模型10．3 Spalart-Allmaras 模型10．4 标准、RNG和k-e相关模型10．5 标准和SST k-ω模型10．6 雷诺兹压力模型10．7 大型艾迪仿真模型10．8 边界层湍流的近壁处理10．9 湍流仿真模型的网格划分10．10 湍流模型的问题提出10．11 湍流模型问题的解决方法10．12 湍流模型的后处理10．1 简介湍流出现在速度变动的地方。
这种波动使得流体介质之间相互交换动量、能量和浓度变化，而且引起了数量的波动。
由于这种波动是小尺度且是高频率的，所以在实际工程计算中直接模拟的话对计算机的要求会很高。
实际上瞬时控制方程可能在时间上、空间上是均匀的，或者可以人为的改变尺度，这样修改后的方程耗费较少的计算机。
但是，修改后的方程可能包含有我们所不知的变量，湍流模型需要用已知变量来确定这些变量。
FLUENT 提供了以下湍流模型：·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－大漩涡模拟模型10．2 选择一个湍流模型不幸的是没有一个湍流模型对于所有的问题是通用的。
选择模型时主要依靠以下几点：流体是否可压、建立特殊的可行的问题、精度的要求、计算机的能力、时间的限制。
为了选择最好的模型，你需要了解不同条件的适用范围和限制这一章的目的是给出在FLUENT中湍流模型的总的情况。
我们将讨论单个模型对cpu 和内存的要求。
同时陈述一下一种模型对那些特定问题最适用，给出一般的指导方针以便对于你需要的给出湍流模型。
10．2．1 雷诺平均逼近vs LES在复杂形体的高雷诺数湍流中要求得精确的N-S方程的有关时间的解在近期内不太可能实现。
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湍流简述
Reynolds-Stress Model
Detached Eddy Simulation
Available in FLUENT 6.2
Large-Eddy Simulation
Direct Numerical lation
17
Fluent中湍流模型面板
Define Models Viscous...
DNS和LES能直接得到气体的瞬态流场，但需要很大的计算机
容量和CPU时间，未能广泛应用于工程应用。
RANS将非稳态控制方程对时间作平均，即 N
1 n U i x , t lim ui x , t N N n 1
ui x, t Ui x, t uix, t
代数应力模型
1.紊流粘性模型（Eddy-Viscosity Models ，EVM）
引入Boussinesq涡粘性假设，认为雷诺应力与平均速 度梯度成正比，即将Reynolds应力项表示为
U i U j ij u iu j t x xi j
时均值 脉动值
因此，只能得到流场的时均值。要想得到瞬时值，它还必须和 另一些求脉动速度的方法相结合。在实际工程应用中，人们更关心流 动的时均值，而忽略湍流的细节。 因此，目前工程湍流计算还是依 赖于RANS。
7
基于Reynolds时均方程的统观模拟（RANS）
忽略流体相密度脉动，可得如下的时均方程组：
u y
一方程模型
/ t C k 1/ 2l
零方程模型和单方程模型适用于简单的流动；对于复杂流 动，系数很难给定，无通用性，故应用较少。
10
两方程模型
由求解湍流特征参数的微分方程来确定湍流粘性。包括k-ε 、 k-ω、 kτ、 k-l 模型等 。其中，应用最普遍的是 k-ε模型。
《fluent湍流模型》课件
Fluent湍流模型的常见问题
常见的问题包括模型精度不够、 计算量太大、计算时间过长等。
解决法
可以通过减小网格尺寸、改变模 拟设置、使用高性能计算机等方 法来解决问题。
常见错误示范
常见错误包括不合理的边界条件、 不准确的物理参数设定等。
总结
通过本课程的学习，您已了解Fluent湍流模型的基本概念、原理和应用。希望您可以将所学应用到实际工作中， 并继续跟踪湍流模型的发展趋势。
工业中的应用
在飞机、汽车、火箭等工业 制造领域中广泛应用，可以 用于优化产品设计、性能测 试和流体控制等方面。
实际案例分析
使用Fluent湍流模型成功预 测了风力发电机转子的性能， 为风力发电技术的发展做出 了重要贡献。
优缺点
具有高精度、高可靠性和可 灵活扩展等优点，但对计算 资源要求较高。
常见问题与解决方法
通过求解雷诺应力方程来描述湍流过程，
精度更高但计算量更大。
3
Large Eddy Simulation
通过将湍流流场分解成大尺度和小尺度
Detached Eddy Simulation
4
来模拟流体运动。
相对于LES模拟时间更短，适合处理具有 湍流特性的旋转流和湍流边界层等问题。
Fluent湍流模型应用
质量守恒方程
描述流体中物质的流 动规律，保证物质质 量不会凭空消失或凭 空增加。
模拟方法
计算流体力学（CFD） 模拟的方法，如有限 元方法、有限体积法 和边界元方法等。
湍流模型原理
1
k-ε模型
在工程实践中应用广泛，许多气动工程
Reynolds Stress Model
2
和水动力学模拟都基于该模型进行。
fluent-湍流模型
fluent 湍流模型流体运动千变万化，但是都遵循自然规律，流体在运动中遵循质量守恒定律，动量定理和能量守恒定律。
从这些定律出发，导出流体力学基本方程组。
由质量守恒定律推出连续性方程由几种推导方法：1：拉格朗日观点法，2：欧拉法，3：直角坐标下控制体法0div V tρρ∂+=∂（对不可压流体，0divV =） 张量表示为：()0i iv t x ρρ∂∂+=∂∂ 由动量定理推出运动方程dVF divP dt ρρ=+ 张量表示为ij i i jp dv F dt x ρρ∂=+∂ 由能量守恒定理推出能量方程:()dUP S div kgradT q dtρρ=++ 或者 ij ji i i dU T p s k q dt x x ρρ⎛⎫∂∂=++ ⎪∂∂⎝⎭由此得出流体力学基本方程组：'0:()123(,)div V tdV F divPdt dU P S div kgradT q dt P pI S IdivV IdivVp f T ρρρρρρμμρ∂⎧+=⎪∂⎪⎪=+⎪⎪⎨=++⎪⎪⎛⎫⎪=-+-+ ⎪⎪⎝⎭⎪=⎩或者写为：()'0123(,)i iij i i j ij ji i i ij ij ij kk ij kk ijv t x p dvF dt x dU T p s k q dt x x p p s s s p f T ρρρρρρδμδμδρ∂⎧∂+=⎪∂∂⎪⎪∂=+⎪∂⎪⎪⎨⎛⎫∂∂=++⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎪⎪⎛⎫⎪=-+-+ ⎪⎝⎭⎪⎪=⎩对于粘性不可压缩均质流体的基本方程为：0()2divV dV F gradp V dtds T div kgradT q dt P pI S ρρμρρμ=⎧⎪⎪=-+∆⎪⎨⎪=Φ++⎪⎪=-+⎩（这就是N-S 方程） 对于粘性不可压缩均质流体的基本方程组为01divV dV F gradp V dt dTC k T dt νρρ⎧⎪=⎪⎪=-+∆⎨⎪⎪=Φ+∆⎪⎩其中， ,v k 分2P pI S μ=-+别是常数粘性系数及热传导系数，Φ是耗损函数，22S μΦ=，方程组有五个二阶偏微分方程，用来确定五个未知函数，,,V p T ，一般情况下，动力学元素p 与运动学元素v 和热力学元素T 相互影响，特别是流场受温度场影响，主要是粘性系数和温度有关体现出来，如果温度变化不大，则粘性系数可以去为常数，从而流场不受温度影响，流场可以独立与温度场而求解。
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必须强调的是 LES 应用于工业的流产模拟还处于起步阶段。回顾近期的出版物，典型的 方法已经用于简单的几何形体。这主要是因为解决含有能量的湍流漩涡需要大量的计算机资 源。很多成功的 LES 模型已经用于高度空间的离散化，而且花了很多精力来解决尺度比惯性 附属区域大的方面。在中间流中用 LES 降低精度的方法没有很多的资料。另外，用 LES 解 决平板问题还需要进一步的证实。
这一章的目的是给出在 FLUENT 中湍流模型的总的情况。我们将讨论单个模型对 cpu 和内存的要求。同时陈述一下一种模型对那些特定问题最适用，给出一般的指导方针以便对 于你需要的给出湍流模型。 10．2．1 雷诺平均逼近 vs LES
在复杂形体的高雷诺数湍流中要求得精确的 N-S 方程的有关时间的解在近期内不太可 能实现。两种可选择的方法用于把 N-S 方程不直接用于小尺度的模拟：雷诺平均和过滤。
可选的逼近，在 RSM 中，是用来解决在方程中的雷诺压力张量。另外要加一个方程。 这就意味着在二维流场中要加五个方程，而在三维方程中要加七个方程。
在很多情况下基于 Boussinesq 假设的模型很好用，而且计算量并不是很大。但是 RSM 模型对于对层流有主要影响的各向异性湍流的状况十分适用。 10．2．4 The Spalart-Allmaras 模型
边界层湍流的近壁处理
10．9
湍流仿真模型的网格划分
10．10
湍流模型的问题提出
10．11
湍流模型问题的解决方法
10．12
湍流模型的后处理
10．1 简介 湍流出现在速度变动的地方。这种波动使得流体介质之间相互交换动量、能量和浓度变
化，而且引起了数量的波动。由于这种波动是小尺度且是高频率的，所以在实际工程计算中
－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
－大漩涡模拟模型
10．2 选择一个湍流模型 不幸的是没有一个湍流模型对于所有的问题是通用的。选择模型时主要依靠以下几点：
流体是否可压、建立特殊的可行的问题、精度的要求、计算机的能力、时间的限制。为了选 择最好的模型，你需要了解不同条件的适用范围和限制
ui = ui +ui' LLL(10.2−1)
这里
u
i
和
u
' i
时时均速度和波动分量。
相似的，像压力和其它的标量
φi =φi +φi' LLL(10.2−2)
这里φ 表示一个标量如压力，动能，或粒子浓度。
用这种形式的表达式把流动的变量放入连续性方程和动量方程并且取一段一段时间的 平均，这样可以写成一下的形式：
直接模拟的话对计算机的要求会很高。实际上瞬时控制方程可能在时间上、空间上是均匀的，
或者可以人为的改变尺度，这样修改后的方程耗费较少的计算机。但是，修改后的方程可能
包含有我们所不知的变量，湍流模型需要用已知变量来确定这些变量。
FLUENT 提供了以下湍流模型：
·Spalart-Allmaras 模型
·k-e 模型
方程 10.2-3 和 10.2-4 称为雷诺平均 N-S 方程。它和瞬态雷诺方程又相同的形式，速度和其
它的变量表示成为了其时均形式。由于湍流造成的附加的条件现在表现出来了。这些雷诺压
力，
必须被模拟出来以便使方程 10.2-4 封闭。
对于变密度的流体，方程 10.2-3 和 10.2-4 认为是 Favre 平均 N-S 方程，速度表示为了 平均值。这样，方程 10.2-3 和 10.2-4 可以应用于变密度的流体。 10．2．3 Boussinesq 逼近 VS 雷诺压力转化模型
作为一个一般性的介绍，在这里推荐一般的湍流模型用雷诺平均对于实际的计算是十分 有用的。在 10.7 中将会详细介绍的 LES 逼近，对你十分有用，如果你的计算机能力很强大 或者有意更新你的计算机的话。这一章余下的部分将会介绍选择雷诺平均逼近模型。 10．2．2 雷诺平均
在雷诺平均中，在瞬态 N-S 方程中要求的变量已经分解位时均常量和变量。以速度为 例：
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。
对于湍流模型，雷诺平均逼近要求在方程 10.2-4 的雷诺压力可以被精确的模拟。一般 的方法利用 Boussinesq 假设把雷诺压力和平均速度梯度联系起来：
Boussinesq假设使用在Spalart-Allmaras模型、k-e模型和k-ω模型中。这种逼近方法好处是对计 算机的要求不高。在Spalart-Allmaras模型中只有一个额外的方程要解。k-e模型和k-ω模型中又 两个方程要解。Boussinesq假设的不足之处是假设ut是个等方性标量，这是不严格的。
两种方法都介绍了控制方程的附加条件，这些条件用于使模型封闭（封闭意味着有足够的方 程来解所有的未知数。）
对于所有尺度的湍流模型，雷诺平均 N-S 方程只是传输平均的数量。找到一种可行的 平均流动变量可以大大的减少计算机的工作量。如果平均流动是稳态的，那么控制方程就不 必包含时间分量，并且稳态状态解决方法会更加有效。甚至在暂态过程中计算也是有利的， 因为时间步长在平均流动中取决于全局的非稳态。雷诺平均逼近主要用于实际工程计算中， 还有使用的模型比如 Spalart-Allmaras，k-e 系列，k-ω系列和 RSM。
第十章 湍流模型
本章主要介绍 Fluent 所使用的各种湍流模型及使用方法。
各小节的具体内容是：
10．1
简介
10．2
选择湍流模型
10．3
Spalart-Allmaras 模型
10．4
标准、RNG 和 k-e 相关模型
10．5
标准和 SST k-ω模型
10．6
雷诺兹压力模型
10．7
大型艾迪仿真模型
10．8