fluent湍流設(shè)置

1、湍流邊界條件設(shè)置在流場的入口、出口和遠(yuǎn)場邊界上，用戶需要定義流場的湍流參數(shù)。在FLUENT中可以使用的湍流模型有很多種。在使用各種湍流模型時(shí)，哪些變量需要設(shè)定，哪些不需要設(shè)定以及如何給定這些變量的具體數(shù)值，都是經(jīng)常困擾用 戶的問題。本小節(jié)只討論在邊界上設(shè)置均勻湍流參數(shù)的方法，湍流參數(shù)在邊界 上不是均勻分布的情況可以用型函數(shù)和 UDF(用戶自定義函數(shù))來定義，具體 方法請參見相關(guān)章節(jié)的敘述。在大多數(shù)情況下，湍流是在入口后面一段距離經(jīng)過轉(zhuǎn)捩形成的，因此在邊 界上設(shè)置均勻湍流條件是一種可以接受的選擇。特別是在不知道湍流參量的分 布規(guī)律時(shí)，在邊界上采用均勻湍流條件可以簡化模型的設(shè)置。在設(shè)置邊界條件時(shí)，

2、首先應(yīng) 該定性地對流動(dòng)進(jìn)行分析，以便邊界條件的設(shè)置不違背物理規(guī)律。違背物理規(guī) 律的參數(shù)設(shè)置往往導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，甚至使計(jì)算發(fā)散而無法進(jìn)行下去。在TurbulenceSpecificationMethod (湍流定義方法)下拉列表中，可以簡單 地用一個(gè)常數(shù)來定義湍流參數(shù)，即通過給定湍流強(qiáng)度、湍流粘度比、水力直徑 或湍流特征長在邊界上的值來定義流場邊界上的湍流。下面具體討論這些湍流 參數(shù)的含義，以保證在設(shè)置模型時(shí)不出現(xiàn)違背流動(dòng)規(guī)律的錯(cuò)誤設(shè)置：( 1)湍流強(qiáng)度( Turbulence Intensity)湍流強(qiáng)度 I 的定義為：I=Sqrt(u *u +v*v +w *-w1) )/u_avg(8

3、上式中u,v和w是速度脈動(dòng)量，u_avg是平均速度。湍流強(qiáng)度小于 1時(shí)，可以認(rèn)為湍流強(qiáng)度是比較低的，而在湍流強(qiáng)度大于 10時(shí)，則可以認(rèn)為湍流強(qiáng)度是比較高的。在來流為層流時(shí)，湍流強(qiáng)度可以用 繞流物體的幾何特征粗略地估算出來。比如在模擬風(fēng)洞試驗(yàn)的計(jì)算中，自由流 的湍流強(qiáng)度可以用風(fēng)洞的特征長度估計(jì)出來。在現(xiàn)代的低湍流度風(fēng)洞中，自由流的湍流強(qiáng)度通常低于0.05%。內(nèi)流問題進(jìn)口處的湍流強(qiáng)度取決于上游流動(dòng)狀態(tài)。如果上游是沒有充分發(fā) 展的未受擾流動(dòng)，則進(jìn)口處可以使用低湍流強(qiáng)度。如果上游是充分發(fā)展的湍 流，則進(jìn)口處湍流強(qiáng)度可以達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn)。如果管道中的流動(dòng)是充分發(fā)展的 湍流，則湍流強(qiáng)度可以用公式 (8-2)

4、計(jì)算得到，這個(gè)公式是從管流經(jīng)驗(yàn)公式得到 的：I=u /u_avg=0.16*Re_DHA-0.125(8-2)其中Re_DH是HydraulicDiameter (水力直徑)的意思，即式(8-2)中的雷諾 數(shù)是以水力直徑為特征長度求出的。( 2)湍流的長度尺度與水力直徑湍流能量主要集中在大渦結(jié)構(gòu)中，而湍流長度尺度l則是與大渦結(jié)構(gòu)相關(guān)的物理量。在充分發(fā)展的管流中，因?yàn)殇鰷u尺度不可能大于管道直徑，所以l是受到管道尺寸制約的幾何量。湍流長度尺度l與管道物理尺寸L關(guān)系可以表示為：l =0.07L(8-3)式中的比例因子0.07是充分發(fā)展管流中混合長的最大值，而L則是管道直徑。在管道截面不是圓形時(shí)，L可

5、以取為管道的水力直徑。湍流的特征長取決于對湍流發(fā)展具有決定性影響的幾何尺度。在上面的討 論中，管道直徑是決定湍流發(fā)展過程的唯一長度量。如果在流動(dòng)中還存在其他 對流動(dòng)影響更大的物體，比如在管道中存在一個(gè)障礙物，而障礙物對湍流的發(fā)生和發(fā)展過 程起著重要的干擾作用。在這種情況下，湍流特征長就應(yīng)該取為障礙物的特征 長度。從上面的分析可知，雖然式 （8-2）對于大多數(shù)管道流動(dòng)是適用的，但并不是 普遍適用的，在某些情況下可以進(jìn)行調(diào)整。在FLUENT中選擇特征長L或湍流長度尺度I的方法如下：1） 對于充分發(fā)展的內(nèi)流，可以用 IntensityandHydraulicDiameter （湍流強(qiáng)度 與水力直徑）

6、方法定義湍流，其中湍流特征長度就是 Hydraulic Diameter（水力 直徑） HD。2）對于導(dǎo)向葉片或分流板下游的流場，可以用IntensityandHydraulicDiameter （湍流強(qiáng)度與水力直徑）定義湍流，并在 HydraulicDiameter （水力直徑）中將導(dǎo)向葉片或分流板的開口部分的長度L定義為特征長度。3 ）如果進(jìn)口處的流動(dòng)為受到壁面限制且?guī)в型牧鬟吔鐚拥牧鲃?dòng)，可以在Intensity and LengthScale面板中用邊界層厚度 delta_99通過公式 匸0.4*delta_99計(jì)算得到湍流長度尺度I。最后在Turbulenee Length Scale

7、（湍 流長度尺度）中輸入l的值。（ 3）湍流粘度比湍流粘度比mu_t/mu與湍流雷諾數(shù)Re_t成正比。湍流雷諾數(shù)的定義為：Re_t=k*k/（Epsilon*nu）（8-4）在高雷諾數(shù)邊界層、剪切層和充分發(fā)展的管道流動(dòng)中的數(shù)值較大，其量級 大約在 100 到 1000 之間。而在大多數(shù)外部流動(dòng)的自由流邊界上，湍流粘度比的 值很小。在典型情況下，其值在 1 到 10 之間。4)推導(dǎo)湍流變量時(shí)采用的關(guān)系式為了從前面講到的湍流強(qiáng)度I,湍流長度尺度L和湍流粘度比mu_t/mu求出 其他湍流變量，必須采用幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。在FLUENT中使用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式主要包括下面幾種： 1)從湍流強(qiáng)度和長度尺度求出修正

8、的湍流粘度在使用Spalart-Allmaras模型時(shí)，可以用湍流強(qiáng)度I和長度尺度I求出修正的 湍流粘度,具體公式如下：nu=Sqrt(1.5)*u_avg*I*L(8-5)在使用FLUENT時(shí)，如果在Spalart-Allmaras模型中選擇Intensity and Hydraulic Diameter (湍流強(qiáng)度與水力直徑)選項(xiàng)，則修正的湍流粘度就用這個(gè) 公式求出。其中的長度尺度l則用式(8-3)求出。2) 用湍流強(qiáng)度求出湍流動(dòng)能湍流動(dòng)能 k 與湍流強(qiáng)度 I 的關(guān)系如下：k=1.5*(u_avg*I)A2(8-6)如果在使用FLUENT時(shí)沒有直接輸入湍流動(dòng)能k和湍流耗散率Epsilon的

9、值，則可以使用Intensity and Hydraulic Diameter (湍流強(qiáng)度與水力直徑)、 Inten sity and Len gth Scale (湍流強(qiáng)度與長度尺度)或 Inten sitya ndViscosityRatio(湍流強(qiáng)度與粘度比)等方法確定湍流動(dòng)能,而確定的辦法就是使用上面的公 式(8-6)。3) 用長度尺度求出湍流耗散率長度尺度 l 與湍流耗散率之間的關(guān)系為：epsilon=C_muA0.75*kA1.5/l(8-7)式中 C_mu 為湍流模型中的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其值約等于0.09。在沒有直接輸入湍流動(dòng)能 k 和湍流耗散率 epsilon 的情況下，可以用I

10、ntensityandHydraulicDiameter (湍流強(qiáng)度與水力直徑)或 Intensity and LengthScale (湍流強(qiáng)度與長度尺度)等辦法，利用上述公式確定湍流耗散率epsilon。4) 用湍流粘度比求出湍流耗散率湍流耗散率 epsilon 與湍流粘度比 mu_t/mu 和湍流動(dòng)能 k 的關(guān)系如下：epsilo n=rho*C_mu*2/mu*(mu_t/mu)八-1(8-8)式中C_mu為湍流模型中的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其值約等于0.09。在沒有直接輸入湍流動(dòng)能 k 和湍流耗散率 epsilon 的情況下，可以用 Intensity and ViscosityRatio(

11、湍流強(qiáng)度與粘度比)定義湍流變量，實(shí)際上就是利 用上述公式算出湍流耗散率 epsilon。5) 湍流衰減過程中湍流耗散率的計(jì)算如果計(jì)算風(fēng)洞阻尼網(wǎng)下游試驗(yàn)段中的流場，可以用下式求出湍流耗散率Epsilon：epsilon=delta_k*U_farfield/L_farfield(8-9)式中delta_k是湍流動(dòng)能k的衰減量，比如可以設(shè)為入口處 k值的10%, U_farfield 是自由流速度， L_farfield 是自由流區(qū)域的長度。 (8-9)式是對高雷諾數(shù) 各向同性湍流衰減指數(shù)律的線性近似,其理論基礎(chǔ)是衰減湍流中湍流動(dòng)能 k 的 方程：U*(partial derivative of

12、U with respect to x)= -epsilon(8-10)如果用這種方法計(jì)算epsilon,還需要用（8-8）式檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，以保證 湍流粘度比mu_t/mu不過大。雖然這種方法在 FLUENT中沒有使用，但是可以 用這種方法估算出自由流中的湍流耗散率epsilon，然后再用（8-6）式確定k，最后在Turbulenee Specification Method （湍流定義方法）下拉列表中選擇 KandEpsilon（k和Epsilon）并k和Epsilon的計(jì)算結(jié)果輸入到相應(yīng)的欄目中。6）用長度尺度計(jì)算比耗散率如果知道湍流長度尺度l,可以用下式確定omega:omega=kA0

13、.5/（C_muA0.25*l）（8-11）式中C_mu和長度尺度l的取法與前面段落中所述相同。在使用IntensityandHydraulicDiameter （湍流強(qiáng)度與水力直徑）或 Intensity and Length Scale （湍流強(qiáng)度與長度尺度）定義湍流時(shí)，F(xiàn)LUENT用的就是這種方法。7）用湍流粘度比計(jì)算比耗散率omega的值還可以用mu_t/mu和k通過下式計(jì)算得出：omega=rho*k/mu*（mu_t/mu）A-1（8-12）在使用Intensity and Viscosity Ratio （湍流強(qiáng)度與粘度比）方法定義湍流時(shí)， FLUENT就是使用上述關(guān)系式對湍流進(jìn)行定義的。8）用湍流動(dòng)能定義雷諾應(yīng)力分量在使用RSM （雷諾應(yīng)力模型）時(shí)，如果用戶沒有在ReynoIds-StessSpecificationMethod （雷諾應(yīng)力定義方法）的 Reynolds-Stress Components（雷諾應(yīng)力分量）選項(xiàng)中直接定義雷諾應(yīng)力的值，則雷諾應(yīng)力的值將由給定的 k 值計(jì)算得出。假定湍流是各向同性的，即：Average（u _i* u -_1j3）=） 0（8且：Average(u _aphla* u _aphla)-=124k) /3(8如果用戶在Reynolds-Stress Specification Method (雷諾