CFD新手入坑指南：湍流模型怎么选
我们聊过仿真中让新手头大，让老手头秃的“网格”，详情猛戳：
当CFD工程师辛辛苦苦画好网格，准备计算时，又两眼一黑：
仿真模型应该选层流还是湍流？
后来得知，工程中遇到的问题基本都是湍流。
于是放心地点了湍流，这一点不当紧，天塌了。一下又冒出来十几种湍流模型，该怎么选？
今天再聊聊CFD仿真中的另一座大山：湍流模型怎么选。
CFD模拟的本质是求解N-S方程的数值解。求解过程最理想的状态，是你只需导入网格，设置好边界条件，点击求解。求解器咔咔一通算输出最终的流场，你拿着去说（hu）服（you）导师、客户或同事。
理想很丰满，现实很骨感。
流动现象太复杂，细节太多了。如果想基于N-S方程进行直接数值模拟（DNS，Direct Numerical Simulation），那计算量将是天量的。
目前DNS只能计算很简单的场景，比如平板、槽道或圆管流动。稍微复杂点，计算机直接提桶跑路。
因此DNS模拟虽然准确可靠，但只能用于学术研究，基本不具备工程应用价值。
波音工程师Spalart（记住作者名字，后面要考）2000年曾发 论文预测，DNS想用在工程项目，要等到2080年。
我是等不到了，零零后们加油，未来可期。
当然也不排除计算机取得跨越式发展，将2080变为2028。
直接数值模拟太复杂，那就要想办法简化。虽然简化会不可避免降低模拟精度，但最起码能用。
流体的流动总的来说可分为两类：层流（Laminar）和湍流(Turbulent)。
所谓层流，指的是流体分层流动，各层之间互不混合或很少混合，看着很舒服。
湍流和层流对应，流动不再分层，变得很混乱，所以湍流又叫“紊流”。
区分层流和湍流，一般看雷诺数，表达式为：
雷诺数越大，可认为流动越快，也越“乱”，越接近湍流。
层流和湍流之间的雷诺数，叫“临界雷诺数”。临界雷诺数不是固定值，只是个经验范围，不同流动场景的临界雷诺数区别很大。
比如管内流动临界雷诺数大概是2300，平板流动临界雷诺数大概是500000，球体周围流动的临界雷诺数则约为200000。
没办法，流体力学距离理想的“大一统理论”尚有很长一段路。现在描述流动时还离不开“一般认为”、“通常”、“大概”这类经验性的词。
层流比湍流简单，包括AICFD在内的各仿真软件，都会把CFD模拟分为“层流”和“湍流”两大类。
层流更易模拟，但可惜工程中的层流现象很少。
举个例子，小轿车在路上以30km/h龟速行驶，取车长4.5m为特征长度。即便车速如此之低，雷诺数都超过2500000了，很湍的湍流，不难想见在工程中遇到层流有多难。
无奈，仿真工程师不得不死磕流动更复杂、更难计算，但更有应用价值的湍流。于是也就产生了不同的模拟方法和湍流模型。
对大部分流动，人们并不关心其中细节，只想知道大致的流动形态。
李白有诗：天门中断楚江开，碧水东流至此回。
说明小白只关心江水往东流这个大致方向，江水内部漩涡里的水往哪个方向转，他不Care。
CFD模拟也要有所取舍，抓大放小。
雷诺平均法（Reynolds-averaged Navier–Stokes equations，RANS）就是这样一种处理方法，将复杂的湍流分解为平均值和波动值。
在求解时只求解平均流动，波动的影响通过湍流模型（比如k−ϵ模型）来表示，计算量大大降低，是工程领域应用最广的湍流模拟方式。
在RANS和DNS之间，还有大涡模拟方法（Large eddy simulation, LES），对流动中的大尺度涡进行直接求解，小尺度涡则用湍流模型表示。
大涡模拟能反映大尺度涡的细节，模拟精度更高，但计算量也比RANS方法大很多。
用一张图表示雷诺平均RANS、大涡模拟LES和直接数值模拟DNS的区别：
还有一些方法结合了RANS和LES二者的特点，比如分离涡模拟（ Detached Eddy Simulation，DES），在壁面附近用RANS方法节省成本，在分离区用LES提高精度，进一步平衡计算量和精度。
目前有工程应用价值的雷诺平均、大涡模拟和分离涡模拟三者对比：
这三种方式都需要用到湍流模型，目前可查到的湍流模型已有上百种。
可以说是湍流模型的发展，才促成了CFD模拟的落地应用。
然而，如今还没有一种万能湍流模型。每种湍流模型都有自己适合的场景，都不普适，各有优缺。
没得选让人痛苦，选择太多何尝不是另一种痛苦。如果你面对湍流模型时手足无措，千万别自卑，其他人也这样。
针对工程领域应用最多的雷诺平均方法，下面介绍几种常用湍流模型，同时也都是AICFD的内置湍流模型。你根据自己的仿真场景，按需选用。
总的来说，在引入湍流模型对湍流效应做平均处理时，根据所采用的方程数量，湍流模型可分为零方程模型、一方程模型和二方程模型。
■ 零方程模型
零方程模型通过假设或经验公式计算湍流特性，不需要求解额外的湍流方程，因此计算量较小但精度不高。适用于复杂问题的初步分析、参数估算等，例如飞机汽车外形的初步设计阶段分析。
■ S-A模型
S-A（Spalart-Allmaras）模型是经典的一方程模型，通过求解一个与湍流动能相关的方程来近似湍流的行为。
Spalart，还记得前面提到的波音工程师的名字吗？
该模型专为航空航天应用设计，特别适用于涉及壁面边界流动的高雷诺数湍流问题。在低雷诺数流动中，S-A模型精度就偏低了。
■ S-A模型
标准k-ϵ模型是两方程模型，通过引入湍流动能 k和湍流能量耗散率 ϵ两个变量来描述湍流流动。
该模型应用场景广泛，大多数问题都可以用这个模型尝试解决，也是AICFD的默认湍流模型。
但在低雷诺数流动和层流到湍流过渡流动中，该模型存在一定局限性。不过前面也说了，工程中遇到的问题绝大部分都是发展充分的湍流，除非极少数情况。
■ 标准k-ϵ模型
标准k-ϵ模型是两方程模型，通过引入湍流动能 k和湍流能量耗散率 ϵ两个变量来描述湍流流动。
该模型应用场景广泛，大多数问题都可以用这个模型尝试解决，也是AICFD的默认湍流模型。
但在低雷诺数流动和层流到湍流过渡流动中，该模型存在一定局限性。不过前面也说了，工程中遇到的问题绝大部分都是发展充分的湍流，除非极少数情况。
■ RNG k-ϵ模型
RNG k-ϵ是对标准k-ϵ模型的改进，适用于分离较大的流动，比如分离流、二次流和旋流。
■ 可实现的k-ϵ模型
该模型也是对标准k-ϵ模型的改进，在低雷诺数、湍流过渡和湍流分离等流动模拟时，会有更高的精度。
■ 标准k-ω模型
该模型也是经典的两方程模型，相比标准k-ϵ模型在模拟壁面附近流动时具有更高精度，因此也更适合边界层的模拟。但由于标准k-ω模型在描述外部流动时相比k-ϵ模型要差，因此该模型的学术意义大于工程价值。
■ SST k-omega模型
该模型是对标准k-omega的改进，精度较高，已经越来越得到工程中的接受和认可。目前基本和标准k-ϵ模型并列，成为工程领域CFD模拟的两大湍流模型之一。
介绍这么多，你很可能还是一头雾水，实际仿真选哪个？
实用的建议：参考已有的文献和已有项目，每个领域都有经过验证的湍流模型。
站在前人的肩膀上，犯错的概率更低。
如果实在没有前人的肩膀可以踩，强烈建议试试AICFD开创性的前前处理功能。
通过问卷的形式让你作答，作答结束，程序会自动根据你仿真的问题和类型，选择合适的湍流模型。
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湍流复杂，湍流模型也复杂，但选择湍流模型应尽可能简单。
