常用的湍流模型 |
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原文作者：ShawnWasserman，ENGINEERING.com网站仿真编辑。 1 为正确的湍流模型使用正确的CFD模型一个虚构的故事。海森堡说“当我遇到上帝的时候，我会问他两个问题：为什么会有相对论？为什么会有湍流？我想上帝可能只能回答第一个问题。“基于这一观点，湍流如此复杂， 计算流体力学中湍流模型具有争议也没有什么好奇怪的了。 因此在实际工程计算过程中，当你 2 常见应用场合的湍流模型选择应用模型内流及电子冷却Wall Treatment models气动问题（跨声速流动）RANS模型：Spalart-Allmaras模型一般问题，复杂几何的外部流动RANS模型：k-epsilon模型一般问题，内部流动，射流，大曲率流，分离流RANS模型：k-w模型旋风，强旋转以及其他复杂流动RANS模型：雷诺应力模型介于层流与湍流之间的流动各种转捩模型热疲劳，振动，浮力流（船舶设计）LES模型外部气动力，气动声学，壁面湍流DES，DDES，IDDES模型基础理论研究及湍流模型构建DNS模拟分离区域，航天Scale Adaptive Simulation（SAS模型）2.1 Wall Treatment Models1、规格参数 利用无量纲壁面距离(Y+)或者length-Velocities(L-Vel)计算湍流粘度求解所有的流动非常稳健计算开销非常小2、应用 内部流动，特别是电子散热问题3、局限性 计算精度较低关于Wall TreatmentModel在各类CFD软件中的存在情况，如下表所示。 模型Altair AcuSolveAutodesk CFDCOMSOLANSYSOpenFOAM高雷诺数（High Y+）√√√低雷诺数（Low Y+）√√All Y+ Hybrid Treatment√√Length-Velocities(L-Vel)√2.2 RANS模型关于RANS模型： Reynolds-averagedNavier-Stokes(RANS)是一个湍流模型大家族，包含了很多的子模型这些模型的特性是在NS方程基础上添加了一个额外的粘度项这些模型的区别在于对于额外的粘度项的处理方式不同这些模型都包含一个通用项：湍动能k，单位质量湍流脉动的动能2.2.1 Spalart-Allmaras模型1、规格参数 一方程湍流模型没有壁面函数，增加了一个新的变量SA粘度对内存要求不高具有非常好的收敛性在精度与简化之间做出了非常好的折中2、应用 主要应用于空气动力学流动问题。如机翼表面的跨声速流动3、局限性 不适合求解剪切流与分离流SA模型在一些CFD软件中的存在如表所示。 模型Altair AcuSolveAutodesk CFDCOMSOLANSYSOpenFOAM标准形式（低雷诺数）√√√√粗糙壁面SA√高雷诺数SA√√√2.2.2 k-epsilon模型1、规格参数 基于湍动能k及湍流耗散率epsilon使用壁面函数，因此黏性子层及过渡层无法仿真非常流行的两方程模型可靠、收敛性好、内存需求低有很多的变体模型，如realizable k-epsilon，RNGk-epsilon等2、应用 适用于无分离、可压/不可压流动问题，特别适用于复杂几何的外部流动问题3、局限性 对于无滑移壁面、逆压梯度、强曲率流动以及射流流动不精确。耗散率不容易计算。一些CFD软件中的湍流模型如表所示。 ModelsAcuSolveAutodesk CFDCOMSOLANSYSOpenFOAM标准k-e√√√√标准双层k-e√√标准低雷诺数k-e√√Scalable Wall Function k-e√√√Realizable k-e√√√√Realizable双层k-e√√RNG双层k-e√RNG k-e√√√√Lien Cubic k-e√√V2F低雷诺数模型√√SSG雷诺应力k-e√√粗糙壁面k-e√LRR k-e√√RTD k-e√浮力k-e√√多相流标准k-e√√多相流标准双层k-e√√多相流Lahey k-e√多相流Realizable k-e√√2.2.3 k-w模型1、模型参数 基于k及w，w要比e更容易求解内存消耗与k-e模型相当通常建议使用SST k-w模型，而不用标准k-w2、应用 适用于内流场，曲率流、分离流及射流3、限制 与k-e模型相比，收敛更困难，且计算结果对初始条件很敏感一些常用的CFD软件中的k-w模型： 模型AcuSolveAutodesk CFDCOMSOLANSYSOpenFOAM标准k-w√√√√√SST k-w√√√√√粗糙壁面SST k-w√Baseline k-w√√粗糙壁面k-w√√多相流Sato SST k-w√√2.2.4 Reynolds Stress Transport模型1、模型参数 试图直接模拟RANS方程的流动项基于6个用于湍流应力的方程能够很好的反应流动行为2、应用 适用于评价新的现象及复杂的流动（如旋风分离及旋转）3、限制 非常消耗计算资源，计算结果对初始条件很敏感，需要高质量的计算网格。CFD软件中的雷诺应力模型：模型AcuSolveAutodesk CFDCOMSOLANSYSOpenFOAMlinear pressure strain√Quadratic Pressure√Linear pressure strain two-layer√Explicit Algebraic Reynolds StressModel (EARSM)√low Reynolds EB-RSM√√2.2.5 转捩模型1、模型参数 模型用于模拟流动从层流转变到湍流的过程转捩不连续2、应用适用于流动从层流转变到湍流的情况3、限制边界条件会对计算造成困难一些CFD软件中的转捩模型:模型AcuSolveAutodesk CFDCOMSOLANSYSOpenFOAMUser specified turbulent suppression√Gamma ReTheta transition model√√SST+1 equation transition(SST gamma)√√低雷诺数k-kl kw√√Spalart-Allmaras+ 1 equationtransition model (SA-gamma)√Spalart-Allmaras+ 2 equation transition model(SA-gammaRetheta)√2.2.6 LES模型1、模型参数 大涡模拟基于自相似理论使用sub-grid-scale模拟计算小涡，而大涡基于几何计算将大涡与小涡的速度场分开2、应用热疲劳、振动以及福利流动(船舶设计)3、局限性近壁面区域计算困难一些CFD软件中的LES模型 模型AcuSolveAutodesk CFDCOMSOLANSYSOpenFOAMSmagorinskysub-grid scale√√√√Dynamic Smagorinsky sub-grid scale√√√Differential SGS Stress Equation√One Equation Eddy-Viscosity√Dynamic One Equation EddyViscosity√√2.2.7 DES,DDES,IDDES模型1、模型参数 分离涡模拟（DES）在近壁面采用RANS，在湍流核心区采用LESDelayedDES(DDES)模拟可以阻止模型应力损耗以及网格导致的分离Improve DDES与DDES模型一样解决对数区不匹配的问题2、应用 适用于外流空气动力学，气动声学，壁面湍流等3、局限性 程序设计麻烦一些CFD软件中的LES模型 模型AcuSolveAutodesk CFDCOMSOLANSYSOpenFOAMDES SpalartAllmaras Detached Eddy√√√DDES SST k-ω Delayed Detached Eddy√√√DDES SpalartAllmaras Delayed Detached Eddy√√√Shielded Detached EddySimulation (SDES)√Stressed Blended Eddy Simulation (SBES)√IDDES SST K-ω Improved Delayedm Detached Eddy Simulation√√√IDDES SpalartAllmaras Improved Delayed Detached EddySimulation√√2.2.8 直接数值模拟DNS1、模型参数 直接采用数值方法求解NS方程，不采用任何湍流模型湍流的时间及空间尺度在网格中进行求解2、应用机理研究以及工程应用中湍流模型开发3、限制对计算资源要求非常高。目前仅用于低雷诺数流动2.2.9 其他模型：SAS模型1、模型参数 不稳定流动区域计算类似于LES稳态区域计算类似于RANS2、应用-分离区域、航空航天| 模型 | AcuSolve | Autodesk CFD | COMSOL | ANSYS | OpenFOAM || ——————————————— | ———— | —————— | ——— | ——- | ———— ||Direct Numerical Simulation (DNS) | √ | | | | √ || Scale Adaptive Simulation (SAS) | | √ | | √ | | |
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