仿真笔记——解读CFD中的湍流模型

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德国物理大师沃纳·海森堡曾经说过：“我要带两个问题去问上帝，一个是广义相对论，一个是湍流。我估计第一个问题是有答案的。”由此可见，湍流的研究不仅仅具有挑战性，更多的是未知性。

湍流

湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。

大气湍流

大气湍流运动中伴随着能量、动量、物质的传递和交换，传递速度远远大于层流，因此湍流中的扩散、剪切应力和能量传递也大得多。所以，大气湍流对飞行器的飞行性能、结构载荷、飞行安全的影响很大。飞机在大气湍流中飞行时会产生颠簸，影响乘员的舒适程度，还会造成飞机的疲劳损伤。

飞机上我们经常听到这么一段广播：“女士们、先生们，我们的飞机遇有不稳定气流，将会持续不断地颠簸，请您全程系好安全带，空中服务将会暂停，卫生间已经关闭。在卫生间的旅客请您回到座位上坐好……”

这非一般地感觉

时至今日，飞机的性能已经大幅提升。现代商用飞机的能够抵御的湍流强度，比过去40年中遇到的最强湍流都要强1.5倍。因此，研究不同气候模式和变暖情景下的湍流变化，从而建立定量化的湍流模型十分重要。

CFD

CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称，它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而来的。简单地说，CFD相当于"虚拟"地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。湍流是一种非常复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。目前CFD中，湍流的分析研究是困难最多的，同时也是最热门的领域之一。

飞机在湍流中飞行模拟

实例展示与说明

实例概述：

让我们先从容器里的流体流动说起，如下图所示。某容器入口流速为10m/s，容器出口与入口直径相同，均为10mm，环境压强为1个大气压，容器内流体为空气（空气动粘度系数为1.7894e-5kg/m-s，密度为1.225kg/m3），研究入口速度稳定后的容器内流场分布。

网格模型示意图

分析思路与求解过程要点说明：

1.需求，此流场分析为内流场分析，计算得雷诺数约为7000，选择2方程k-e湍流方程；

2.选择合适的网格模型以及求解设置条件；

3.选择合适的计算机设备求解；

4.对求解结果进行合理判断。

结果：

CFD计算结果涡流场显示

从结果可以看出，流体表现为明显的湍流漩涡，不过从结果可以看出，模型中主要表现出了大尺度涡流，小尺度涡流看不到，说明此结果是近似结果，如果需要得到小尺度涡流的计算结果，需要非常高端的计算机配置完成。

讨论：

提取CFD计算结果中的压力分布

提取CFD计算结果中的速度分布

从图中可以看出，压力分布与速度分布是符合实际模型应用场景的，也就是说，如果得到基本合理的大尺度涡流，也就可以得到工程上更加关注的压力与速度等流体分析结果，小尺度涡流计算目前仅仅处于研究阶段，大多数工程应用是不考虑的。

注意事项

1，选择合理的湍流模型做初步计算，此时，可建立相关模型的等效简化模型，不需要较为密集与完美的网格，通过初步计算需要确定当前模型的湍流方程，求解算法等内容；

2，建立实际模型的完美网格；

3，由于湍流计算的结果都是近似结果，部分结果与实际相差50%以上，所以需要工程师具有非常丰富的行业经验。

备注

大多数CFD软件都具有湍流计算能力，其中国际上使用最多的是fluent求解器与CFX求解器，另外，fluent软件囊括了更加丰富的湍流模型。湍流结果精度主要依赖于工程师对产品设计原理的理解，与软件选择无关。

来源：CAE仿真学社

CFX 疲劳湍流控制

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首次发布时间：2023-06-21