FLUENT-中湍流參數(shù)的定義WORD

1、文檔可能無(wú)法思考全面，請(qǐng)瀏覽后下載! FLUENT 中湍流參數(shù)的定義  2011-07-28 10:46:03|  分類： 默認(rèn)分類|舉報(bào)|字號(hào) 訂閱流場(chǎng)的入口、出口和遠(yuǎn)場(chǎng)邊界上，用戶需要定義流場(chǎng)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(wèn)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(lái)定義，具體方法請(qǐng)參見(jiàn)相關(guān)章節(jié)的敘述。在大多數(shù)情況

2、下，湍流是在入口后面一段距離經(jīng)過(guò)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(jiǎn)化模型的設(shè)置。在設(shè)置邊界條件時(shí)，首先應(yīng)該定性地對(duì)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(wú)法進(jìn)行下去。在Turbulence Specification Method （湍流定義方法）下拉列表中，可以簡(jiǎn)單地用一個(gè)常數(shù)來(lái)定義湍流參數(shù)，即通過(guò)給定湍流強(qiáng)度、湍流粘度比、水力直徑或湍流特征長(zhǎng)在邊界上的值來(lái)定義流場(chǎng)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

3、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）8 / 8湍流強(qiáng)度I的定義為：I=Sqrt(u*u+v*v+w*w)/u_avg                                   &

4、#160;                                 (8-1)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)

5、為湍流強(qiáng)度是比較高的。在來(lái)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(lái)。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(zhǎng)度估計(jì)出來(lái)。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(wèn)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(méi)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)計(jì)算得到，這個(gè)公式是從管流經(jīng)驗(yàn)公式得到的：        

6、0;     I=u/u_avg=0.16*Re_DH-0.125                      (8-2)其中Re_DH是Hydraulic Diameter（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(zhǎng)度求出的。（2）湍流的長(zhǎng)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(zhǎng)度尺度l則是與大

7、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(zhǎng)度尺度l 與管道物理尺寸L關(guān)系可以表示為：                                   &#

8、160;    l = 0.07L                                           

9、 (8-3)式中的比例因子0.07 是充分發(fā)展管流中混合長(zhǎng)的最大值，而L則是管道直徑。在管道截面不是圓形時(shí)，L可以取為管道的水力直徑。湍流的特征長(zhǎng)取決于對(duì)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(guò)程的唯一長(zhǎng)度量。如果在流動(dòng)中還存在其他對(duì)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(duì)湍流的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程起著重要的干擾作用。在這種情況下，湍流特征長(zhǎng)就應(yīng)該取為障礙物的特征長(zhǎng)度。從上面的分析可知，雖然式(8-2)對(duì)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(zhǎng)L或湍流長(zhǎng)度尺度

10、l的方法如下：1）對(duì)于充分發(fā)展的內(nèi)流，可以用Intensity and Hydraulic Diameter（湍流強(qiáng)度與水力直徑）方法定義湍流，其中湍流特征長(zhǎng)度就是Hydraulic Diameter（水力直徑）HD。2）對(duì)于導(dǎo)向葉片或分流板下游的流場(chǎng)，可以用Intensity and Hydraulic Diameter（湍流強(qiáng)度與水力直徑）定義湍流，并在Hydraulic Diameter（水力直徑）中將導(dǎo)向葉片或分流板的開(kāi)口部分的長(zhǎng)度L 定義為特征長(zhǎng)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 Length Scale 

11、;面板中用邊界層厚度delta_99 通過(guò)公式l=0.4*delta_99計(jì)算得到湍流長(zhǎng)度尺度l。最后在Turbulence Length Scale（湍流長(zhǎng)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)                       &#

12、160;   (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(jí)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(zhǎng)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(zhǎng)度尺度求出修正的湍流粘度在使用Spalart-Allmaras 模型時(shí)，可

13、以用湍流強(qiáng)度I和長(zhǎng)度尺度l求出修正的湍流粘度，具體公式如下：           nu=Sqrt(1.5)*u_avg*I*L                               &

14、#160;    (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(zhǎng)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)2               &

15、#160;                            (8-6)如果在使用FLUENT 時(shí)沒(méi)有直接輸入湍流動(dòng)能k和湍流耗散率Epsilon的值，則可以使用Intensity and Hydraulic Diameter（湍流強(qiáng)度與水力直徑）、Intensity and Length Scale（湍流強(qiáng)度與長(zhǎng)

16、度尺度）或Intensity and Viscosity Ratio（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(zhǎng)度尺度求出湍流耗散率長(zhǎng)度尺度l與湍流耗散率之間的關(guān)系為：            epsilon=C_mu0.75*k1.5/l                 &

17、#160;           (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(méi)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 Hydraulic Diameter（湍流強(qiáng)度與水力直徑）或Intensity and Length Scale（湍流強(qiáng)度與長(zhǎng)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

18、如下：epsilon=rho* C_mu*k2/mu*(mu_t/mu)-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(méi)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（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(guò)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

19、流場(chǎng)，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

20、速度，L_farfield是自由流區(qū)域的長(zhǎng)度。(8-9)式是對(duì)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 U with respect to x)= -

21、epsilon            (8-10)如果用這種方法計(jì)算epsilon，還需要用（88）式檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，以保證湍流粘度比mu_t/mu不過(guò)大。雖然這種方法在FLUENT 中沒(méi)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（86）式確定k，最后在Turbulence Specification Method（湍流定義方法）下拉列表中選擇K and Epsilon（ k 和Epsilon ）并k和Epsilo

22、n的計(jì)算結(jié)果輸入到相應(yīng)的欄目中。6）用長(zhǎng)度尺度計(jì)算比耗散率如果知道湍流長(zhǎng)度尺度l，可以用下式確定omega:         omega=k0.5/(C_mu0.25*l)                             

23、  (8-11)式中C_mu和長(zhǎng)度尺度l的取法與前面段落中所述相同。在使用Intensity and Hydraulic Diameter（湍流強(qiáng)度與水力直徑）或Intensity and Length Scale（湍流強(qiáng)度與長(zhǎng)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(guò)下式計(jì)算得出：        omega=rho*k/mu*(mu_t/mu)-1   

24、0;                       (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)，F(xiàn)LUENT就是使用上述關(guān)系式對(duì)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(méi)有在Reynolds-Stess Specification Method（雷諾應(yīng)力定義

25、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_j)=0