做了一段时间的CFD,后来在跟同学讨论湍流模型时却发现自己对各种CFD湍流计算方法并没有很好的系统的理解。故花了一段时间调研,小小总结记录于此,很可能有不详尽之处,日后再逐渐补充。
CFD的本质收现金是将流场区域离散化,即所谓的画网格,认为网格内的流场变量是均匀的,因此任何比流场网格尺寸还小的流场结构是无法模拟出来的。
DNS在工程中为啥不行?
具体到湍流,想要模拟出细节特征,要求计算时足够小的时间尺度和空间尺度,使得网格数一般为Re^2.7量级。什么概念呢?假设一个5m长度的飞行器在空气中以1Ma速度飞行(=1.27kg/m^3、v=340m/s、μ=17.9*10^-6 Pa*s、L=5m)得到Re=1.22E8,结果网格数便是E23量级,这样大的网格数量完全无法计算。
湍流模型粉墨登场
还好,工程中计算流场时,这么小的湍流细节是不怎么需要的,我们可以大胆的增大网格尺寸,尽情的用大尺度网格来抹平小尺度的湍流特征。
怎么抹平?
雷诺说:“把NS方程在时间上给平均一下呗。” 于是有了雷诺平均NS方程(RANS)。平均变换过程中有很多准则和套路,不一一赘述,反正就是经过平均后的NS方程相比原本的方程在变量和形式上基本没有变化,除了多出来的一项,给这一项起个名字:雷诺应力项。
因此,RANS针对流场涡结构,只能提供定常的流场结果。
抹平带来的麻烦
原本没有雷诺应力项时,连续性方程,动量方程,能量方程,状态方程,几个方程很好的把方程中几个流场变量给封闭求解了。现在多了个雷诺应力未知量,方程不够了,不封闭了,怎么办?
各路大神齐登场,各种提出补充方程,又叫RANS中的湍流模型:单方程模型(S-A模型),双方程模型(k-epsilon模型、k-w模型等),三方程模型等等。
各种模型各有千秋,都有自己擅长领域和不擅长的领域,但最终的结果是方程组又封闭了,流场又可以继续愉快的求解了。就问你牛不牛!!!
RANS下湍流模型的分支:
机智的我打开了Fluent:
可以说是很全了!
各个模型下还有些子模型: