高等流体力学湍流模型
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。
【水力机械水动力学】2-湍流流动的数学模型
12 流体湍流运动的数学模型湍流是粘性流体在雷诺数相当大（至少大于临界雷诺数）时产生的一种流动现象。
湍流不是流体的特性而是流动的一种型态。
在湍流运动中各种流动的特征量均随时间和空间坐标而呈现随机的脉动。
由于其随机性，可以用统计的办法处理，得到湍流中各种物理量的统计平均值及其它的统计特性，但却很难用确定性的方法解决湍流运动问题。
湍流具有的扩散性使它可以更为有效地将动量、能量、含有物质的浓度、温度等向各个方向扩散、混掺和传输。
湍流是三维的有涡流动而且伴随着涡的强烈的脉动。
通过三维涡量场中旋涡的拉伸和变形，形成湍流中各种不同尺度的旋涡。
而这些不同尺度的旋涡在湍流运动中起着不同的作用。
大尺度旋涡从时均流动中取得能量，能量由大尺度旋涡向小尺度旋涡逐级传递，并最后在小尺度旋涡中通过流体的粘性将能量耗散。
因此维持湍流运动必须要消耗相当的能量，这就是所谓湍流的耗散性。
2.1雷诺平均方程由于湍流特征量在时间和空间上的剧烈脉动，使得处理一般粘性流动的方法不再适用。
1895年雷诺在他的著名论文中模仿分子运动论的平均思想，引入了两次平均的概念。
按照他的想法，在通常的分子运动论的统计平均之后，就可以得到流体力学的运动方程式， Navier-Stokes 方程和连续方程，即j ij i j i i i x x p x uu t u ∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂2σρ （2-1）()0=∂∂+∂∂i ju x t ρρ （2-2）2式中i u 为流体的速度，p 为压力，ρ为密度．2ij σ为除压力以外的应力张量，它的表达式为ij i j j i ijx u x u x u δλμσαα∂∂+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂=2（2-3） 式中μ为粘性系数，μλ32-=k ，k 称为第二粘性系数或体积（大块）粘性系数．只有对单原子分子的气体，k 的值才为零．一般情况k 的值比μ大好多倍，甚至上万倍。
对于密度为常数的不可压缩流体的情形，有i ij i j i u x Px u u t u 21∇+∂∂-=∂∂+∂∂νρ （2-4）0=∂∂jix u （2-5） 式中ρμν=为运动粘性系数，假定它为常数。
湍流模型方程
湍流模型方程
湍流模型方程是用来描述湍流流动的数学方程。
其中最经典的湍流模型方程是雷诺平均纳维-斯托克斯方程，也称为RANS方程。
雷诺平均纳维-斯托克斯方程是对流体流动进行平均处理后得到的方程，可以描述湍流的运动规律。
其方程形式如下：
∂(ρu_i)/∂t + ∂(ρu_iu_j)/∂x_j = - ∂p/∂x_i + ∂(τ_ij)/∂x_j + ρg_i + F_i
其中，ρ是流体的密度，u_i是速度分量，t是时间，x_i是空间坐标，p是压力，τ_ij是应力张量，g_i是重力分量，F_i是外力分量。
这个方程描述了流体的连续性、动量守恒和能量守恒。
湍流模型方程还包括了湍流模型，用来描述湍流的统计性质。
最常用的湍流模型是k-ε模型，它基于湍流运动的能量和湍流耗散率进行描述。
k-ε模型的方程如下：
∂(ρk)/∂t + ∂(ρku_i)/∂x_i = ∂(μ+μ_t)∂x_j ∂u_i/∂x_j - ρε + ρg_i + F_i
∂(ρε)/∂t + ∂(ρεu_i)/∂x_i = C_1εk/μ (∂(μ+μ_t)∂x_i ∂u_i/∂x_j) - C_2ρε^2/k + ρg_iu_i + F_i
其中，k是湍流能量，ε是湍流耗散率，μ是动力粘度，μ_t是湍流粘度，C_1和C_2是经验常数。
这个模型方程描述了湍流能量和湍流耗散率的传输过程，可以用来计算湍流流动的各种统计量。
6. 湍流模型
一、 “雷诺平均”模式（RANS) ——雷诺应力模型（RSM)
雷诺应力模型的关键是对雷诺应力输运方 程各项的模化，使方程得以封闭
一、 “雷诺平均”模式（RANS) 脉动运动方程
用N-S方程减去RANS方程得：
xi
ui
0
ui t i
uj
ui x j
uj
ui x j
1
p
xi
——涡粘模型: 低Re数k-ε模型
——涡粘模型: 低Re数k-ε模型
为体现分子粘性的影响，控制方程的扩散系数项 包括了湍流扩散系数与分子扩散系数两部分。
控制方程的有关系数必须考虑不同流态的影响，
即在系数计算中引入湍流雷诺数Ret。
在k方程中壁面附近湍动能的耗散不是各向同性。
据文献建议，当局部湍流的Ret小于150时，就应该
相关量的输运方程，但方程中必然出现更高阶相关量，因此由
N-S方程导出的湍流统计方程总是不封闭的，湍流模型的任务
是研究统计方程的封闭方法
一、 “雷诺平均”模式（RANS) 雷诺应力输运方程
雷诺应力生成项Pij
uiuk
u j xk
u juk
ui xk
是平均运动变形率和雷诺应力联合作用的结果，
因此，没有平均运动变形率就没有雷诺应力的生
湍流的数值模拟方法简介
湍流数值 模拟方法
直接数值模 拟（DNS）
大涡模拟 方法（LES）
非直接数值 Reynolds平均
模拟
法（RANS）
统计平均法
Reynolds 应力模型
涡粘模型
RSM ASM 零方程模型 一方程模型 两方程模型
两方程模型：标准k-e模型，RNG k-e模型，Realizable k-e模型等
湍流模型简述ppt课件
湍流模型比较
模型
SpalartAllmaras
标准 k-ε
优点
计算量小，对一定复杂程度的 边界层问题有较好效果
应用多，计算量合适，有较多 数据积累和相当精度
缺点
计算结果没有被广泛测试，缺少 子模型，如考虑燃烧或浮力问题
对于流向有曲率变化，较强压力 梯度有旋问题等复杂流动模拟效 果欠缺
RNG k-ε 能模拟射流撞击，分离流，二 次流，旋流等中等复杂流动
t C/ k1/ 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。
湍流粘性系数 表达式为：
11
模型参数
RANS-based models
Increase in Computational
Cost Per Iteration
Available in FLUENT 6.2
Direct Numerical Simulation
17
Fluent中湍流模型面板
Define Models Viscous...
选择了能反映湍流各向异性的代数应力模型（ASM），用数值计 算与实验研究相结合的方法对旋流器内的湍流场进行了模拟
采用RNG k-ε模型分析了旋流场内部湍流度及相对湍流度对湍流 场流动分布、湍流脉动和分离介质所产生的影响，其预报结果是有 限的。
从文献报道来看，LES大涡模型模拟的结果更可靠，更相信。 但RSM目前是工程应用中比较有效的湍流模型。
Spalart-Allmaras
高等流体-第八讲,湍流理论
U y u y t
U x u x
U y u y x
(U y u y )
2、涡粘性
涡粘性是流体流动的性质，而不像分子粘性那样是 流体的物理性质。涡粘性是指由于涡旋的运动引起的
类似于分子运动导致的粘性效应。湍流中小尺度的涡
旋对大尺度的涡旋的作用是一种扩散作用。涡粘性系 数起到削弱湍流平均运动速度的效果 。 3、级串 cascade 是指大小涡旋的能量传递，在级串过程中，第一级 大涡的能量一般来自外界。大涡失后产生第二级的小 涡，小涡失稳后产生更小的涡旋。 4、标度律 充分发展了的湍流运动，应服从标度律。
uy x i (x t ) u i ( y ) e y x
( y )ei (x t )
2 u u u u u d Ux y y x x x 代入： ( ) Ux ( ) uy t y x x y x dy2 uy 1 p 2 u x v ( ) x y x
u 主流流动（平均流动）Ux、 Uz P +小扰动流动 、U y x , u y , uz , p
u x U x u x u y U y u y z u z U z u
p P p
为了简单起见，考虑不可压缩流体，二维平行定常流动+二维非定常流
uy
1 P p Ux v 2u y t x y uy
由于主流满足： 1 P 2U x v y 2 x P 0 y u u dU x 1 p x x Ux uy v 2u x t x dy x uy uy 1 p Ux v 2u y t x y
计算流体力学中湍流模型概述与展望
英文回答：As an important field of research in the field ofputing fluids, the flow model is important for engineering practice and for flow flow in the natural environment. The development of flow models is intended to simplify the description of drift phenomena to achieve efficient hydrodynamic simulations. After many years of research, drift models have evolved from early empirical models to models based on mathematical physical patterns that meet the simulation needs of mobility at different levels ofplexity. However, there are limitations in the movement of boundary layers, rotational flows and pressure gradients. In the future, new flow models based on machine and in—depth learning can be hot spots for research, providing more accurate andprehensive capabilities for stream simulations. This will contribute to the promotion of scientific research and technological innovation in the field of hydrodynamics and to the development of engineering.湍流模型作为计算流体力学领域的重要研究领域，对于工程实践和自然环境中的湍流流动具有重要意义。
K-e湍流模型
K-e湍流模型第一篇：K-e湍流模型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。
但是由于湍流脉动的尺度范围很大，计算的实际问题可能并不会如上所说的那样存在一个确切的正比和反比的关系。
在多尺度湍流模式中，湍流由各种尺度的涡动结构组成，大涡携带并传递能量，小涡则将能量耗散为内能。
在入口界面上设置的K和湍动能尺度对计算的结果影响大，至于k 是怎么设定see fluent manual “turbulence modelling”作一个简单的平板间充分发展的湍流流动，基于k-e模型。
确定压力梯度有两种方案，一是给定压力梯度，二是对速度采用周期边界条件，压力不管！k-epsiloin湍流模型参数设置：k－动能能量；epsilon－耗散率；在运用两方程湍流模型时这个k值是怎么设置的呢？epsilon可以这样计算吗？Mepsilon＝Cu*k*k/Vt%这些在软件里有详细介绍。
陶的书中有类似的处理，假定了进口的湍流雷诺数。
fluent帮助里说，用给出的公式计算就行。
k－e模型的收敛问题！应用k－e模型计算圆筒内湍流流动时，网格比较粗的时计算结果能收敛，但是当网格比较密的时候，湍流好散率就只能收敛到10的－2次方，请问大侠有没有解决的办法？用粗网格的结果做初场网格加密不是根本原因，更本的原因是在加密过程中，部分网格质量差注意改进网格质量，应该就会好转.在求解标准k-e双方程湍流模型时（采用涡粘假设，求湍流粘性系数，然后和N－S方程耦合求解粘性流场），发现湍动能产生项（雷诺应力和一个速度张量相乘组成的项）出现负值，请问是不是一种错误现象？如果是错误现象一般怎样避免。
另外处理湍动能产生项采用什么样的差分格式最好。
而且因为源项的影响，使得程序总是不稳定，造成k,e值出现负值，请问有什么办法克服这种现象。