驾驭CFD湍流的智慧经纬：主流模型解析与广阔工程应用疆域探析_燃烧_湍流_航空_理论

驾驭CFD湍流的智慧经纬：主流模型解析与广阔工程应用疆域探析

CFD饭圈

1月前浏览442

湍流模型是计算流体动力学（CFD）领域中用于描述和模拟复杂流动现象的重要工具。根据不同的数学方法和物理假设，目前工程应用中主流的湍流模型主要包括以下几种：

零方程模型（Zero-Equation Models）

代表：Prandtl混合长度模型

优点：计算成本低，适合简单问题或早期计算机资源有限的情况。

缺点：缺乏对湍流结构的描述，对于复杂流动尤其是边界层内的流动预测精度较低。

应用场景：在求解速度较快且精度要求不高的初步设计阶段。

一方程模型（One-Equation Models）

代表：Spalart-Allmaras (SA) 模型

优点：相比于零方程模型，增加了一个输运方程来描述近壁区流动，简化了湍流参数的处理。

缺点：无法直接捕捉到湍流能量耗散的过程，适用范围有限。

应用场景：适用于飞机机翼、车辆车身等有大量近壁区域的流动模拟，尤其在高马赫数流动中有良好表现。

两方程模型

k-ε模型

优点：广泛应用于工业设计，计算效率相对较高，对多种流动情况具有一定的适应性。

缺点：在自由剪切流动、大逆压梯度以及近壁区域模拟效果欠佳。

改进型如RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、SST k-ε模型

优化了标准k-ε模型的部分不足，提高了某些特定条件下的模拟精度。

k-ω模型

优点：在自由剪切流动和近壁区域的表现优于标准k-ε模型。

缺点：远场匹配不佳，不适合于大规模涡旋流动。

改进型如SST k-ω模型（Shear Stress Transport）

通过引入Shear Stress Transport项解决了上述问题，在许多工程应用中表现出较高的准确性。

雷诺应力模型（Reynolds Stress Models, RSMs）

优点：直接求解湍流应力张量，理论上能提供最全面的湍流描述。

缺点：需要求解多个额外方程，计算成本显著提高，收敛难度较大，同时模型参数化更为复杂。

应用场景：用于极其复杂的流动情况，尤其是在流场存在强烈旋转或各向异性湍流特征时。

大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）

优点：能够捕捉到大部分的大尺度涡旋结构，并采用亚网格模型来处理小尺度湍流。

缺点：计算需求大幅增加，特别是对于分辨率的要求很高；对初始化条件敏感，需精细的网格划分。

应用场景：航空发动机燃烧室、大气环境中的风力涡轮机等复杂三维湍流研究。

混合RANS-LES模型

如DES（Detached Eddy Simulation），SAS-SST模型等

优点：结合了RANS和LES的优点，根据不同流动区域自动切换计算策略，降低了纯粹LES的计算成本。

缺点：算法复杂，模型选择和设置依赖于具体流动特性和工程经验。

应用场景：适用于包含分离流、复杂几何形状和多尺度涡旋结构的大型流动系统。

综上所述，不同类型的湍流模型各有其优劣，选用时应综合考虑流动特性、计算资源、所需精度及收敛稳定性等因素。随着计算能力的提升和技术的发展，高级湍流模型的应用逐渐增多，但即使是简单的模型也仍在一些情况下发挥着不可替代的作用。

来源：CFD饭圈

Fluent仿真案例-采用多孔介质模型模拟在金属泡沫加热槽中的自然对流

使用非平衡热模型多孔介质模拟金属泡沫散热器在一个空间中自然对流。几何模型如下。一、导入网格启动Fluent软件，选择3D double-precision版本。导入网格如下。二、物理模型启动能量方程和laminar层流模型。操作温度设置为293.15K。三、材料修改空气材料，密度选择boussinesq，值为1.204。thermal expansion coefficient 设置为0.003411 (1/K)四、边界条件"wall-hot"边界，选择temperature，温度设置为368.15K。"wall-sides"边界，选择convection，换热系数为5，自由流温度为293.15K。五、计算域打开“fluid-porous”面板，设置如下这时候，当非平衡热模型被激活时，Fluent创建一个新的固体网格区，它是原始流体区的副本。该名称将在创建区域时报告，它也可以在原始多孔区的单元区条件面板中找到。固体区所需的主要输入是材料。（由于这只是一个例子，铝具有默认的热性能，但一般建议在预期温度范围内使用实际固体材料最准确的性能）。六、求解计算求解方法设置如下。迭代计算250步。收敛曲线如下。监控泡沫金属平均温度如下。七、后处理统计能力守恒。加热壁的总能量输入为2.161 W，因此能量不平衡为0.08%温度云图。速度流动图流动迹线图来源：CFD饭圈