Fluent进出口边界湍流量计算

当流体在入口、出口或远场边界进入计算区域时，Fluent需要指定输运的湍流量。本节描述了特定湍流模型需要哪些量，以及必须如何指定这些量。

1 使用Profile指定湍流量

如果需要在入口处准确表示边界层或完全发展的湍流，理想情况下应通过实验数据或经验公式创建一个profile文件来设置湍流量。如果有profile的解析描述，而不是数据点，可以使用该解析描述创建profile文件，或者创建用户自定义函数来提供入口边界信息。

在创建了profile后，就可以按以下描述方式使用：

• Spalart-Allmaras模型：在 Turbulence Specification Method 下拉列表中选择 Modified Turbulent Viscosity 或 Turbulent Viscosity Ratio ，并在 Turbulent Viscosity 或 Turbulent Viscosity Ratio 旁边的下拉列表中选择合适的profile名称。Fluent通过将        与合适的密度和分子粘度值结合来计算边界处的修正湍流粘度      。
•    模型：在 Turbulence Specification Method 下拉列表中选择 K and Epsilon ，并在 Turbulent Kinetic Energy 和 Turbulent Dissipation Rate 旁边的下拉列表中选择合适的profile名称。
•    模型：在 Turbulence Specification Method 下拉列表中选择 K and Omega ，并在 Turbulent Kinetic Energy 和 Specific Dissipation Rate 旁边的下拉列表中选择合适的profile名称。
• 基于      的Reynolds应力模型：在 Turbulence Specification Method 下拉列表中选择 K and Epsilon ，并在 Turbulent Kinetic Energy 和 Turbulent Dissipation Rate 旁边的下拉列表中选择合适的profile名称。在 Reynolds-Stress Specification Method 下拉列表中选择 Reynolds-Stress Components ，并在每个单独的Reynolds应力分量旁边的下拉列表中选择合适的profile名称。
• 基于      的Reynolds应力模型：在 Turbulence Specification Method 下拉列表中选择 K and Omega ，并在 Specific Dissipation Rate 旁边的下拉列表中选择合适的profile名称。在 Reynolds-Stress Specification Method 下拉列表中选择 Reynolds-Stress Components ，并在每个单独的Reynolds应力分量旁边的下拉列表中选择合适的profile名称。

2 指定均匀的湍流量

在某些情况下，在流入发生的边界处指定湍流量的均匀值是合适的。例如，流体进入管道、远场边界，甚至是完全发展的管道流动，其中湍流量的准确分布是未知的。

在大多数湍流流动中，在剪切层内产生的高水平湍流比在流动边界进入的湍流更多，使计算结果对流入边界值相对不敏感。然而，必须小心确保边界值不会如此非物理而污染计算结果或妨碍收敛。对于外部流动尤其如此，在自由流中非物理的大有效粘度值可能会“淹没”边界层。

可以使用上述的湍流指定方法输入均匀的常数值，而不是profile。或者，您可以通过更方便的量如湍流强度、湍流粘度比、液压直径和湍流长度尺度来指定湍流量。默认的湍流指定方法设置为 Turbulent Viscosity Ratio（对于Spalart-Allmaras模型）或Intensity and Viscosity Ratio（对于     模型、     模型或 RSM 模型）。这些量将在以下章节中进一步讨论。

3 湍流强度

湍流强度（Turbulence Intensity，I）定义为速度脉动  的均方根与平均流速  的比值。

通常认为1%或以下的湍流强度较低，大于10%的湍流强度较高。理想情况下，可以根据外部测量数据估计入口边界处的湍流强度。例如，如果要模拟风洞实验，自由流中的湍流强度通常可以从风洞特性中获得。在现代低湍流风洞中，自由流的湍流强度可能低至0.05%。

Fluent中默认的湍流强度为5%（中等强度）。

4 湍流长度尺度及水力直径

湍流长度尺度（Turbulence Length Scale，  ）是一个与包含湍流能量的大涡的尺寸有关的物理量。

如果湍流的特征长度来自于流场中的障碍物（如多孔板），则基于障碍物的特征长度而不是管道尺寸来确定湍流长度比例更为合适。

下面列出了为选定的流动类型选择特征长度或湍流长度尺度的准则：

• 对于充分发展的内部流动，选择Intensity and Hydraulic Diameter指定方法，并在参数Hydraulic Diameter中指定水力直径      。
• 对于旋转叶片、穿孔板等下游的流动，选择Intensity and Hydraulic Diameter方法，并在Turbulent Length Scale中指定流动开口的特征长度。
• 对于入口涉及湍流边界层的壁面有界流，选择Intensity and Length Scale方法，并使用边界层厚度      计算湍流长度尺度      ，      ，可以在Turbulence Length Scale中指定      值。

5 湍流粘度比

湍流粘度比  与湍流雷诺数（  ）成正比。在高雷诺数边界层、剪切层及充分发展的管道流中，  的值较大（数量级为100~1000）。然而在大多数外流的自由流边界处，  的值是相当小的，通常湍流参数设置为  。对于内部流动，湍流粘度比  的可能高达100。在Fluent中，湍流粘度比的默认值设置为10。

要指定湍流粘度比，可以选择Turbulent Viscosity Ratio（使用Spalart-Allmaras模型时）或Intensity and Viscosity Ratio（使用k-epsilon、k-omega或RSM模型时）。湍流强度的默认值设置为5%（中等强度），湍流粘度比的默认值为10。

6 湍流参数推导关系

为了从诸如  或  等更为便捷的量中获取输运的湍流量值，常需要借助于经验关系式，这些关系式除了正式定义外还需结合使用。以下列出了几种正式定义及在Fluent中常用的实用经验关系。

7 估算修正的湍流粘度

在使用移动参考系时，需注意对入口速度及湍流量的转换操作顺序，此内容将在下一节详细阐述。这关系到公式7-74中  的取值。

8 从湍流强度估算湍动能

在Ansys Fluent中，每当使用Intensity and Hydraulic Diameter、Intensity and Length Scale或Intensity and Viscosity Ratio方法来代替直接指定  （湍流动能）和  （耗散率）或  （特定耗散率）的明确值时，就会应用此关系。

提示： 公式7-75中的平均流动速度参考框架与General Task页面中选择的速率表述相对应。在任何入口边界条件对话框中选择参考系时，请注意指定的入口速度首先转换为所选的速率表述，然后用于通过公式7-75从湍流强度计算湍流动能。如果某个入口边界类型不需要指定入口速度（例如压力入口边界条件），则公式7-75中的    是当前局部解的速度大小，该大小对应于所选的速率表述。

”

9 从长度尺度估算湍流耗散率

在Fluent中，当采用 Intensity and Hydraulic Diameter 或 Intensity and Length Scale 方法，而非直接指定  和  的具体数值时，便会应用此关系。

10 从湍流粘度比估算湍流耗散率

在Fluent中，当采用Intensity and Viscosity Ratio方法而非直接指定  和  的具体数值时，就会用到这种关系。

11 估算衰减湍流的湍流耗散率

若采用此方法估算   ，还应检查由此得出的湍流粘性比   ，确保其不会过大，可利用公式7-77进行验证。

尽管Fluent内部并未采用此方法，但可以借助它导出一个恒定的自由流    值，然后通过在 Turbulence Specification Method 下拉列表中选择 K and Epsilon 来直接设定。在此情形下，通常会根据    并利用公式7-75来确定   。

12 从长度尺度估算比耗散率

在Fluent中，当采用 Intensity and Hydraulic Diameter 或 Intensity and Length Scale 方法，而非直接指定  和  的具体数值时，便会应用此关系。

13 从湍流粘度比估算比耗散率

14 从湍流动能估算雷诺应力分量

且

15. 指定尺度解析模拟的入口湍流

在使用尺度解析模拟（SAS、DES、SDES、SBES和LES模型）时，可以指定速度和压力入口处的非稳态 Fluctuating Velocity ，以生成真实的湍流内容。因此，对于速度和压力入口，需要额外的输入，例如选择 Fluctuating Velocity Algorithm 及其相应参数（如图7.34所示）。在Fluent理论指南中的尺度解析模拟入口边界条件部分，描述了可用的方法及其选项。需要注意的是，尽管某些LES模型在边界上不需要指定 Turbulence 参数，但当选择了 Fluctuating Velocity Algorithm 时，则需要指定。 Fluctuating Velocity Algorithm 可用的附加参数列于压力入口对话框和速度入口对话框中。

 

注：以上内容取自Fluent UserGuide。

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