中科大FLUENT讲稿 第三章，湍流模型

第三章，湍流模型

第一节， 前言

湍流流动模型很多，但大致可以归纳为以下三类：

第一类是湍流输运系数模型，是Boussinesq于1877年针对二维流动提出的，将速度脉动的二阶关联量表示成平均速度梯度与湍流粘性系数的乘积。即：

?u2???t??u1?u1 3－1 ?x2?2???k?ij 3－2 ?3?推广到三维问题，若用笛卡儿张量表示，即有：

??ui?uj??ui?u?j??t????x?j?xi模型的任务就是给出计算湍流粘性系数?t的方法。根据建立模型所需要的微分方程的数目，可以分为零方程模型（代数方程模型），单方程模型和双方程模型。

第二类是抛弃了湍流输运系数的概念，直接建立湍流应力和其它二阶关联量的输运方程。 第三类是大涡模拟。前两类是以湍流的统计结构为基础，对所有涡旋进行统计平均。大涡模拟把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通过求解三维经过修正的Navier-Stokes方程，得到大涡旋的运动特性，而对小涡旋运动还采用上述的模型。

实际求解中，选用什么模型要根据具体问题的特点来决定。选择的一般原则是精度要高，应用简单，节省计算时间，同时也具有通用性。

FLUENT提供的湍流模型包括：单方程（Spalart-Allmaras）模型、双方程模型（标准κ-ε模型、重整化群κ-ε模型、可实现(Realizable)κ-ε模型）及雷诺应力模型和大涡模拟。

包含更多 物理机理

Zero-Equation Models One-Equation Models Spalart-Allmaras Two-Equation Models Standard k-? RNG k-???????Realizable k-?? RANS-based models

每次迭代 计算量增加

FLUENT提供的模型选择

Reynolds-Stress Model Large-Eddy Simulation Direct Numerical Simulation 湍流模型种类示意图

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第二节，平均量输运方程

雷诺平均就是把Navier-Stokes方程中的瞬时变量分解成平均量和脉动量两部分。对于速度，有：

ui?ui?ui? 3－3

其中，ui和ui?分别是平均速度和脉动速度（i=1,2,3）

类似地，对于压力等其它标量，我们也有：

?????? 3－4 其中，?表示标量，如压力、能量、组分浓度等。

把上面的表达式代入瞬时的连续与动量方程，并取平均（去掉平均速度ui上的横线），我们可以把连续与动量方程写成如下的笛卡儿坐标系下的张量形式：

????(?ui)?0 3－5 ?t?xiDu?p??i???Dt?xi?xj???ui?uj2?ul?????????ij??ui?u?j 3－6 ?????????xj?xi3?xl????xj??上面两个方程称为雷诺平均的Navier-Stokes（RANS）方程。他们和瞬时Navier-Stokes方程有相同的形式，只是速度或其它求解变量变成了时间平均量。额外多出来的项??ui?u?j是雷诺应力，表示湍流的影响。如果要求解该方程，必须模拟该项以封闭方程。

如果密度是变化的流动过程如燃烧问题，我们可以用法夫雷（Favre）平均。这样才可以求解有密度变化的流动问题。法夫雷平均就是出了压力和密度本身以外，所有变量都用密度加权平均。变量的密度加权平均定义为：

~????/? 3－7

符号～表示密度加权平均；对应于密度加权平均值的脉动值用???表示，即有：~ ???????。很显然，这种脉动值的简单平均值不为零，但它的密度加权平均值等于零，即：

????0， ?????0

Boussinesq近似与雷诺应力输运模型

为了封闭方程，必须对额外项雷诺应力??ui?u?j进行模拟。一个通常的方法是应用Boussinesq假设，认为雷诺应力与平均速度梯度成正比，即：

??ui?uj??? ??uiuj??t???x?j?xi?2??(?k??t?ui)?ij 3－8 ?3?xi?Boussinesq假设被用于Spalart-Allmaras单方程模型和k??双方程模型。Boussinesq近似

的好处是与求解湍流粘性系数有关的计算时间比较少，例如在Spalart-Allmaras单方程模型中，只多求解一个表示湍流粘性的输运方程；在k??双方程模型中，只需多求解湍动能k和耗散率ε两个方程，湍流粘性系数用湍动能k和耗散率ε的函数。Boussinesq假设的缺点是认为湍

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流粘性系数?t是各向同性标量，对一些复杂流动该条件并不是严格成立，所以具有其应用限制性。

另外的方法是求解雷诺应力各分量的输运方程。这也需要额外再求解一个标量方程，通常是耗散率ε方程。这就意味着对于二维湍流流动问题，需要多求解4个输运方程，而三维湍流问题需要多求解7个方程，需要比较多的计算时间，对计算机内存也有更高要求。

在许多问题中，Boussinesq近似方法可以得到比较好的结果，并不一定需要花费很多时间来求解雷诺应力各分量的输运方程。但是，如果湍流场各向异性很明显，如强旋流动以及应力驱动的二次流等流动中，求解雷诺应力分量输运方程无疑可以得到更好的结果。

第三节， 湍流模型

3.3.1 单方程（Spalart-Allmaras）模型

~，表征出了近壁（粘性影响）区域以外的湍流运动粘Spalart-Allmaras模型的求解变量是?~的输运方程为： 性系数。?~~?~?????D?1???????~???Y? 3－9 ??G????(????)??Cb2????Dt??~??xj?????xj????xj??其中，G?是湍流粘性产生项；Y?是由于壁面阻挡与粘性阻尼引起的湍流粘性的减少；??~和Cb2是常数；ν是分子运动粘性系数。

湍流粘性系数用如下公式计算：

~f ?t????1~?其中，f?1是粘性阻尼函数，定义为：f?1?3，并且??。

??C?31??3湍流粘性产生项，G?用如下公式模拟：

~~G??Cb1?S? 3－10

~??~其中，S?S?22f?2，而f?2?1?。其中，Cb1和k是常数，d是计算点到

1??f?1kd壁面的距离；S?2?ij?ij。?ij定义为：

?uj?ui1??ij????2??xi?xj?? 3－11 ??由于平均应变率对湍流产生也起到很大作用，FLUENT处理过程中，定义S为：

S??ij?Cprodmin(0,Sij??ij) 3－12

其中，Cprod?2.0，?ij??ij?ij，Sij?2SijSij，平均应变率Sij定义为：

?uj?ui1??Sij??2??x?i?xj

?? 3－13 ??26

在涡量超过应变率的计算区域计算出来的涡旋粘性系数变小。这适合涡流靠近涡旋中心的区域，那里只有“单纯”的旋转，湍流受到抑止。包含应变张量的影响更能体现旋转对湍流的影响。忽略了平均应变，估计的涡旋粘性系数产生项偏高。

湍流粘性系数减少项Y?为：

~???Y??Cw1?fw?? 3－14

?d?26?1?Cw?3其中，fw?g?6 3－15 6??g?Cw3?g?r?Cw2(r6?r) 3－16

~?r?~22 3－17

Skd~?~其中，Cw1，Cw2，Cw3是常数，S?S?22f?2。在上式中，包括了平均应变率对S

kd~的影响，因而也影响用S计算出来的r。

上面的模型常数在FLUENT中默认值为：Cb1?0.1335，Cb2?0.622，??~?2/3，

1/6C?1?7.1，Cw1?Cb1/k2?(1?Cb2)/??~，Cw2?0.3，Cw3?2.0，k?0.41。

壁面条件

~设置为零。当计算网格足够细，可以计算层流底层时，壁面切应在壁面，湍流运动粘性?力用层流应力－应变关系求解，即：

?uyu?? 3－18 u??如果网格粗错不能用来求解层流底层，则假设与壁面近邻的网格质心落在边界层的对数区，则根据壁面法则：

??u?y?u1?lnE????? 3－19 u?k??其中，k=0.419，E=9.793。

对流传热传质模型

在FLUENT中，用雷诺相似湍流输运的概念来模拟热输运过程。给出的能量方程为：

cp?t??T???????(?E)?[ui(?E?p)]?k?????x?uj(?ij)eff?t?xi?xi?Prt?i??式中，E是总能量，(?ij)eff是偏应力张量，定义为：

???Sh 3－20 ?? 27

(?ij)eff??eff(?uj?xi??ui?ui2)??eff?ij 3－21 ?xj3?xi其中，(?ij)eff表示粘性加热，耦合求解。如果默认为分开求解，FLUENT不求解处(?ij)eff。但是可以通过变化“粘性模型”面板上的湍流普朗特数（Prt），其默认值为0.85。

湍流质量输运与热输运类似，默认的Schmidt数是0.7，该值同样也可以在“粘性模型”面板上调节。

标量的壁面处理与动量壁面处理类似，分别选用合适的壁面法则。

综上所述，Spalart-Allmaras模型是相对简单的单方程模型，只需求解湍流粘性的输运方程，并不需要求解当地剪切层厚度的长度尺度。该模型对于求解有壁面影响流动及有逆压力梯度的边界层问题有很好模拟效果，在透平机械湍流模拟方面也有较好结果。

Spalart-Allmaras模型的初始形式属于对低雷诺数湍流模型，这必须很好解决边界层的粘性影响区求解问题。在FLUENT中，当网格不是很细时，采用壁面函数来解决这一问题。当网格比较粗糙时，网格不满足精确的湍流计算要求，用壁面函数也许是最好的解决方案。另外，该模型中的输运变量在近壁处的梯度要比k??中的小，这使得该模型对网格粗糙带来数值误差不太敏感。

但是，Spalart-Allmaras模型不能预测均匀各向同性湍流的耗散。并且，单方程模型没有考虑长度尺度的变化，这对一些流动尺度变换比较大的流动问题不太适合。比如，平板射流问题，从有壁面影响流动突然变化到自由剪切流，流场尺度变化明显。

3.3.2 标准k??模型

标准k??模型需要求解湍动能及其耗散率方程。湍动能输运方程是通过精确的方程推导得到，但耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原形方程得到的。该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略。因此，标准k??模型只适合完全湍流的流动过程模拟。

标准k??模型的湍动能k和耗散率ε方程为如下形式：

?Dk??Dt?xi???t??????k????k????x??Gk?Gb????YM 3－22 ?i?D????Dt?xi???t??????2?????????x??C1?k(Gk?C3?Gb)?C2??k 3－23

k?i???在上述方程中，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生，Gb是用于浮力影响引起

的湍动能产生；YM可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。湍流粘性系数?t??C?k2?。

在FLUENT中，作为默认值常数，C1?＝1.44，C2?=1.92，C??0.09，湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数分别为?k＝1.0，??＝1.3。可以通过调节“粘性模型”面板来调节这些常数值。

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