多相湍流流动基础和数值模拟西安讲课
流体力学中的多尺度湍流模拟与建模
流体力学中的多尺度湍流模拟与建模湍流是流体力学中一个复杂而普遍存在的现象，涉及到多尺度的运动和相互作用。
在实际应用中，对湍流进行准确模拟和有效建模具有极大的重要性。
本文将介绍流体力学中的多尺度湍流模拟与建模方法，并探讨其在工程实践中的应用。
第一部分：湍流模拟方法湍流模拟是通过数值方法模拟湍流流动，以获得流场的详细信息。
在多尺度湍流模拟中，常用的模拟方法包括直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）、雷诺平均导数模拟（RANS）等。
直接数值模拟是一种最为精确的模拟方法，通过求解流动的Navier-Stokes方程来模拟湍流现象。
由于湍流流动存在广泛的空间和时间尺度，直接数值模拟的计算成本极高，通常只能用于精细的研究和小规模的流动模拟。
大涡模拟是在直接数值模拟的基础上发展起来的一种方法，通过将大涡的运动精确模拟，而对小涡采用模型进行参数化。
相比于直接数值模拟，大涡模拟的计算成本较低，可以在一定程度上模拟湍流的多尺度特性。
雷诺平均导数模拟是一种更为常用的湍流模拟方法，在工程实践中得到广泛应用。
该方法通过将流场的各个变量进行平均处理，然后引入湍流模型来描述湍流效应。
由于雷诺平均导数模拟只考虑了平均尺度上的湍流特性，无法准确模拟湍流的具体结构，因此在一些对流动细节要求较高的场合，该方法的精度有限。
第二部分：湍流建模方法湍流建模是为了在湍流模拟中描述湍流效应而引入的方法。
这些模型基于湍流的统计性质和物理规律，对湍流的各种参数进行描述和计算。
常用的湍流建模方法包括湍流能量方程、湍流应力传输方程等。
湍流能量方程是湍流建模中的一种重要方法，用于描述湍流的能量传输过程。
该方程通过考虑湍流的产生、消耗和传输等过程，以及湍流能量的耗散来描述湍流的演化规律。
基于湍流能量方程，可以计算湍流的能谱和湍流能量的分布等参数。
湍流应力传输方程是湍流建模中的另一种关键方法，用于描述湍流的动量传输过程。
该方程通过考虑湍流的各向异性和湍流的剪切作用等因素，计算湍流应力的分布和演化规律。
湍流模型及其在CFD中的应用
(5)
将（5）代入瞬时状态下的连续性方程（1）和动量方 程（2），并对时间取平均，得到湍流时均流动的控制 方程如下：
湍流时均流动的控制方程
divu 0
(6)
u '2 u ' v' u ' w' u 1 p div(u u ) vdiv(gradu ) (7a) t x y z x
u p u '2 u ' v' ( u ' w') div( uu ) div( gradu ) Su t x x y z v p u ' v' v' ( v' w') div( vu ) div( gradv) Sv t y x y z
u ' ' v' ' w' ' ( ) div( u ) divgrad t x y z
S
（11）
张量形式的时均输运方程
u i 0 t xi u p i ui uiu j ui ' u j ' S i t xi xi x j x j u j t x j x j u j ' ' S x j
2、湍流的基本方程
无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续方程和N-S方程对 于湍流的瞬时运动仍然是适用的。在此，考虑不可压流 动，使用笛卡尔坐标系，速度矢量在x、y和z方向的分量 分别为u、v和w，写出湍流瞬时控制方程如下：
物理学中的湍流流动机理研究
物理学中的湍流流动机理研究湍流流动是物理学中一个重要的研究领域。
它涉及到大量极其复杂的物理现象和数学问题，而且它的研究对于许多工程领域的进步都有着非常重要的影响。
因此，湍流流动机理研究一直是物理学家和工程师们的重要课题。
本文将介绍一些关于湍流流动机理研究的基本知识和最新研究成果。
湍流流动的特征湍流是一种高度复杂的不稳定流动状态，它具有以下特征：不规则性：湍流流动的颗粒方向、流速、压力甚至形状的变化非常不规则，这使得湍流流动很难被描述和预测。
多尺度性：湍流流动的流体运动具有许多不同尺度的波动，从微观的螺旋涡到大尺度的湍流涡旋，这些波动之间存在着复杂的相互作用和演化。
高能量消耗：湍流流动中存在着大量的分子和粒子的能量互相转化和耗散，这使得湍流流动的能耗比其他流动形式要高得多。
湍流流动的本质湍流流动的本质实际上是流体中的微观涡旋运动，这种微观涡旋的运动会在不同的尺度上不断地繁殖和演化，最终形成复杂的、高度非线性的宏观涡旋结构。
这些宏观涡旋的运动涉及到大量的非线性物理效应和数学问题，使得湍流流动的模拟、预测和控制都非常困难。
湍流流动的研究方法湍流流动研究的主要方法包括实验观测、数值模拟和理论分析。
实验观测是湍流流动研究的基础，通过测量流体的速度、压力和运动的几何形态等参数，可以获取湍流流动的各种特性。
数值模拟则是通过计算湍流流动中的各种物理量，来模拟和预测湍流流动的行为。
理论分析则是从物理和数学的角度深入研究湍流流动的本质和机理，从而揭示其规律和特性。
最新研究进展近年来，湍流流动研究在实验、数值和理论方面取得了很大的进展。
下面介绍一些最新的研究成果：1.实验研究近年来，实验研究者发现了一些新的湍流现象，这些现象为揭示湍流流动机理提供了新的线索。
例如，一些实验表明，在某些条件下，湍流流动可以转化为一种混沌状态，这种状态和非线性动力学中的混沌现象具有相似的数学特征。
另外，实验研究也揭示了湍流流动中的层流和湍流边界层等结构，这些结构在工程实践中的应用具有重要意义。
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。
流体力学中的湍流流动现象
流体力学中的湍流流动现象流体力学是研究流体运动规律的学科，而湍流流动现象是流体力学领域中一个极为重要和复杂的问题。
湍流流动的出现在我们的日常生活中随处可见，如水龙头的水流、风的吹拂、河流的水流等等都存在着湍流现象。
然而，湍流流动的本质却仍然是一个未解之迷。
湍流流动是指流体在运动过程中发生的一种无规则、混乱的流动状态。
与湍流相对的是层流，层流是指流体在运动过程中具有规律性和序列性的流动状态。
湍流的出现是由于流体分子之间相互碰撞和摩擦引起的，这种现象使得流体在运动中呈现出分流、交替、混合等复杂的运动状态。
湍流流动具有许多特点，比如湍流是不稳定的，它的速度和压力分布是时刻发生变化的；湍流流动能量的转换非常复杂，能量在各个方向上的分布非常均匀，并且湍流的能量分布与空间尺度相关，研究发现湍流流动中存在着许多不同尺度的涡旋结构；此外，湍流流动还表现出空间和时间上的混沌性，即使是对相同初始条件的湍流流动，其结果也会呈现出不可预测的变化。
湍流流动的理论研究非常困难，至今仍未完全解决。
目前，湍流流动的研究主要通过数值模拟和实验手段来开展。
数值模拟可以模拟湍流流动的物理过程，通过计算机模拟湍流的运动规律，可以得到湍流流动的速度、压力等物理量的分布情况，从而对湍流流动进行研究。
实验手段则通过设计实验装置，观察流体在湍流流动状态下的特性和行为，并测量一些相关的物理量，以获得湍流流动的性质。
湍流的形成和发展与流体的黏性密切相关。
在一些高黏性的流体中，湍流流动很难形成，流体呈现出较为稳定的层流状态。
而在一些低黏性的流体中，湍流流动很容易发生，湍流现象十分明显。
湍流流动还和流体的速度、密度、粘度以及流动条件等因素紧密相关。
湍流流动的研究对于提高流体力学的应用水平具有重要意义。
湍流流动在工程、地质、生物学以及大气环境等领域中起着重要的作用。
例如，在工程领域，湍流的产生会给管道输送、搅拌等工艺过程带来许多问题，研究湍流流动可以帮助我们更好地设计和优化工艺设备。
离心泵叶轮内密相液固两相湍流的数值模拟
第17卷 第1期应用力学学报V o l.17 N o.1 2000年3月CH INESE JOURNAL OF APPL IED M ECHAN I CS M ar.2000离心泵叶轮内密相液固两相湍流的数值模拟α 魏进家 姜培正 宇 波(西北工业大学 西安 710072) (西安交通大学 西安 710049)摘 要利用作者建立的描述密相液固两相湍流的KET模型和推导的基本控制方程组,在处理壁面边界条件时考虑了颗粒和叶片的相互碰撞作用,对离心泵叶轮内密相液固两相流动进行了数值模拟,得到了泵叶轮内两相流动的一些规律,为液固两相流泵的设计提供了一定的理论依据。
关键词:密相;液固两相湍流;KET模型;离心泵叶轮1 引 言固体物料的水力输送因其投资少、见效快、无污染和运费低的优点而在工业部门中得到了广泛的应用。
作为管道水力输送关键设备的两相流泵的需求量也就日益增加。
其中,煤炭矿山部门的需求约55%,电力部门占2313%,冶金部门占611%,建材部门占910%,其它部门占611%[1]。
日益增加的社会需求量推动了液固两相流泵的研究工作,然而长期以来,泵的设计基本上是以清水为主,再辅以各种经验修正,从而使设计与使用条件脱节,致使泵的效率较低(通常为40-60%),磨损严重,寿命很短。
因此,设计出高效耐磨的两相流泵,已成为工业应用的迫切需要。
目前,对液固两相流泵的研究主要是从外特性上着手,探索不同浓度、粒径、重度对泵性能的影响。
这具有一定的实用意义,但未能从根本上解决泵的设计问题。
生产和经济的发展迫切需要对泵内部液固两相流动的机理进行深入的研究,得到两相流的颗粒浓度场、速度场、压力场等,从而为较符合实际的液固两相流场进行泵的设计提供理论依据和方法。
金光熹等[2]在清水流场的基础上,计算颗粒运动轨迹,为确定叶片型线提供理论依据,但未计及粘性湍流和颗粒对液相流场的影响,且当颗粒浓度较高时,由于颗粒之间及颗粒与叶片之间的碰撞加剧,故对流场及颗粒运动轨迹预测偏差较大,Roco et al.[3]用有限元法计算了泵叶轮内的颗粒浓度分布以及压水室的水头损失,但由于采用了相间无滑移的单流体模型,而与泵内实际流动相差较大。
液体流动的射流与湍流相互作用研究
液体流动的射流与湍流相互作用研究液体流动的射流与湍流相互作用是流体力学领域的重要研究课题之一。
在工程和科学领域中，研究液体流动的射流与湍流相互作用，可以帮助我们更好地理解和控制流体的行为，从而应用于多个领域。
一、流体力学基础知识为了深入研究液体流动的射流与湍流相互作用，首先需要了解一些流体力学的基础知识。
流体力学是研究流体的运动、变形和力学特性的科学领域。
在流体力学中，流动可以分为层流和湍流两种状态。
二、液体射流液体射流是指液体在管道或喷嘴中高速喷出的过程。
液体射流具有较高的速度，能够形成稳定的射流形态。
在液体射流中，射流流速与周围环境相比较高，因此与周围环境发生相互作用。
射流与周围环境的相互作用会导致射流的扩散和改变其流动特性。
三、湍流湍流是流体力学中另一种常见的流动状态。
湍流具有不规则、混乱的流动特性，流体的速度、压力和密度在时间和空间上都呈现随机变化。
湍流流动中的涡旋和涡流现象对流体的运动起着重要的作用。
湍流的起因与流态的不稳定性相关。
四、射流与湍流相互作用射流与湍流相互作用是指液体射流和周围的湍流流动之间的相互影响。
液体射流对周围的湍流流动会产生扩散效应，使湍流能量的损失增加。
另一方面，湍流对射流也会产生抑制与削弱的效果，减小射流的速度和形状。
五、研究方法与应用研究液体流动的射流与湍流相互作用通常采用数值模拟和实验方法。
数值模拟可以通过计算机模拟形成射流和湍流的相互作用过程，提供流动的详细数据和可视化效果。
实验方法则通过设计合适的实验装置和测量仪器，对射流和湍流的相互作用进行直接观测和分析。
液体流动的射流与湍流相互作用研究在许多领域有着广泛的应用。
在航空航天领域，研究射流与湍流相互作用可以提高喷气发动机的效率和推力。
在能源领域，研究射流与湍流相互作用可以提高石油开采和输送的效率。
在环境保护领域，研究射流与湍流相互作用可以帮助减少工业废水和排气的污染。
此外，在汽车工程、建筑设计和食品加工等领域也都存在着液体流动的射流与湍流相互作用研究的需求。
湍流流动中的动能损失分析
湍流流动中的动能损失分析引言湍流流动是许多工程领域中普遍存在的现象。
在流体力学中，湍流是指流体在运动中出现的涡旋运动和不规则流动。
相比于层流，湍流的特点是流速分布不均匀、流体粘度大大增加、能量损失较大。
动能损失是湍流流动中最重要的损失之一，对于工程设计和优化至关重要。
本文将从湍流流动的基本概念开始，探讨湍流流动中的动能损失分析方法和工程应用。
湍流流动的基本概念湍流流动是一种流动状态，其中流体粒子的速度和方向不断变化，呈现出不规则的涡旋运动。
湍流可发生在流速较高、流体黏度较低、管道弯曲和障碍物等情况下。
湍流的产生是由于流体内部存在着各种尺度的旋转涡旋，这些涡旋在流体中相互作用，形成无数的涡旋系统，使得流体中的动能不断传递和转化。
湍流流动的特点包括：速度分布不均匀、流向方向发生变化、流体粘度增加、能量损失大等。
湍流流动中的动能损失是由于流体不规则运动引起的，主要包括湍流摩擦损失和湍流脉动损失。
湍流流动中的动能损失分析方法为了准确分析湍流流动中的动能损失，工程师和科学家们开发了各种分析方法和数值模拟工具。
下面将介绍一些常用的方法：流阻系数法流阻系数法是一种经验方法，通过实验或现有数据建立起的关于压力损失和流量之间的关系。
该方法基于流体运动的控制方程和一些实验结果，可以计算出湍流流动的动能损失。
数值模拟方法数值模拟方法是通过计算流体的基本运动方程，将流动问题转化为数值求解问题。
常用的数值模拟方法有有限元方法、有限差分方法和边界元方法等。
这些方法可以模拟湍流流动中的动能损失，并提供详细的流场数据。
流场测量方法流场测量方法是通过实验手段，利用各种传感器和仪器测量流体的速度和压力分布。
常见的流场测量方法有热线风速仪、激光多普勒测速仪和压力传感器等。
通过测量得到的数据，可以分析湍流流动中的动能损失。
工程应用湍流流动中的动能损失在能源、环境、航空等众多工程领域中都有广泛的应用。
以下是一些工程应用的例子：管道输运在石油、天然气、水力等管道输运中，湍流流动的动能损失对输送效率有着重要影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
gp,ij kvpiviij
双时间尺度耗散模型
g,ip jC g1 T v p pvij
T mip ,n k/
气相耗散率的双时间尺度耗散模型
• 单时间尺度的气相耗散率模型
t u j x j x j t x j kC 1 G k G p C 2
• 双时间尺度的气相耗散率模型。
0.6
0.4
0.2
0.0
X=1.1H
X=3.4H
Exp. Iso Diss Model Xu's Model
X=7H
X=14.1H
Zaichik's Model Present Model
两相速度关联的径向分量
0.00 0.05 0.10 0.00 0.05 0.100.00 0.05 0.100.00 0.05 0.10 1.0 r/R 0.8
TL mineii,
leii Vrel
ei i 2TmE 1ii11 SiT tiL 0.4i1 T im 0.0E S 1itiii
St p T mE
TL TmE0.356leiiL2fii1co2s
Lfii2.5TLiiv2
TLii
0.235vivi
突扩流动颗粒速度
0.0 0.5 1.0 0.0 0.5 1.00.0
tu j x j x j t x j T 1C 1G k G p C 2
T
minrp,
k
旋流两相流动的模拟
2 12 1 no ns w irling flo w
D 1 = 32 mm D2 = 38 mm
D3 = 64 mm D4 = 70 mm
两相速度关联的 双时间尺度耗散
模型
研究背景
• 两相速度关联的封闭在二阶矩两相湍流模型中至关重要 • 已经有不同的封闭模型，如Simonin(1993) 由联合PDF方程导
出的输运方程模型和Zaichik (1996) 由颗粒的高斯PDF导出的 代数模型 • 周和陈 (1994) 直接导出输运方程，用单时间尺度耗散封闭 • 周和徐 (2001) 引入拉氏分析的轨道交叉效应，惯性效应和连 续效应，改进了Zaichik 的代数模型. • 周和于（2002）进一步提出了双时间尺度耗散的输运方程模 型
• 下一步是将此模型用于气体湍流变动的预报中
两相流气相湍流变动 的
双时间尺度耗散模型
两相速度关联的双时间尺度耗散模型
t(vpvij)(V kV pk )x k(vpvij)x k[ (ep)x k(vpvij)] 1rp[vpvip jvivj(p)vpvij]Pg,p ijg,p ij
单时间尺度耗散模型
旋流两相流动模拟结果（2）
气相切向脉动速度
0
2
40
1.0
2 0 1 20
1
2 0 1 20
1
2
0.5
0.0
-0.5
-1.0 52
85
112
155
195
315
(实验； -----模型1（单时间尺度模型）；—模型2（双时间尺度模型） )
结论
• 两相速度关联和颗粒对气相湍流耗散率的影响 是影响气体湍流变动的两个重要因素
0.6
0.4
0.2
0.0
X=1.1H
X=3.4H
Exp. Iso Diss Model Xu's Model
X=7H
Zaichik's Model
X=14.1H
Present Model
两相速度关联的轴向分量
0.0 0.1 0.2 0.0 0.1 0.2 0.0 0.1 0.2 0.0 0.1 0.2 0.3 1.0 r/R 0.8
四种不同的封闭模型
• 单时间尺度耗散的方程模型 • 双时间尺度耗散的方程模型
(周和陈) gp,ij kvpiviij
(周和于)
g,p ijC g1p T vpvij,Tmip n,k/
• Zaichik代数模型
vpvi j
TL TLp
vivj
• 周和徐的代数模型
vpivj
TL TLp
vivj
D1 D2
D5 = 190 mm
D3
D4 D5
2 A n n u la r sw ir lin g flo w
旋流两相流动模拟结果（1）
气相轴向脉动速度
0 3 6 0 2 4 60 1 2 3 0 1 2 0
1
20
1
2
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0 52
85
112
155
195
315
(实验； -----模型1（单时间尺度模型）；—模型2（双时间尺度模型） )
G plm 2 u y re u ly re • u ld re lC 3pd 2u d re u ld re 2 l C 3p
多相湍流流动基础和数值模 拟西安讲课
大纲
• 双时间尺度耗散封闭的两相速度关联模型 • 两相流气相湍流变动的双时间尺度耗散模型动的二阶矩两相湍流模型—
USM-模型 • 稠密气固两相流动的双尺度二阶矩两相湍流
模型 • 气泡-液体射流的大涡模拟 • 总的结论
• 两相速度关联的双时间尺度耗散模型比单时间 尺度耗散模型有改进
• 双时间尺度耗散的湍流变动模型比原有的单时 间尺度耗散的模型有改进
• 但是预报的气体湍流度仍低于实验值。 • 进一步应当模拟颗粒尾涡增强湍流的作用。
颗粒尾涡对 湍流变动影响的模型
颗粒尾涡对湍流变动的影响
• 颗粒尾涡中平均速度梯度为 U g U p ，湍动能方 d 程中由于尾涡速度梯度引起的湍动能产生附加 项为： G vivk ，xuki采用简单的混合长模型该 项可以简化为：
0.5
0.0
0.5
1.0
1.0
r/R
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
X=1.1H
X=3.4H
Exp. Iso Diss Model Xu's Model
X=7H
Zaichik's Model
X=14.1H
Present Model
突扩流动颗粒脉动速度
0.0 0.1 0.2 0.0 0.1 0.2 0.0 0.1 0.2 0.0 0.1 0.2 0.3 1.0 r/R 0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
X=1.1H X=3.4H
Exp. Iso Diss Model Xu's Model
X=7H
X=14.1H
Zaichik's Model Present Model
结论
• 双时间尺度耗散封闭的两相速度关联方程模型比单时 间尺度耗散封闭的两相速度关联方程模型以及代数模 型给出更好的预报效果