1、FLUENT中湍流參數的定義2011-07-28 10:46:03| 分類：,默認分類|舉報|字號 訂閱流場的入口、出口和遠場邊界上，用戶需要定義流場的湍流參數。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，哪些變量需要設定，哪些不需要設定以及如何給定這些變量的具體數值， 都是經常困擾用戶的問題。本小節只討論在邊界上設置均勻湍流參數的 方法，湍流參數在邊界上不是均勻分布的情況可以用型函數和UDF (用戶自定義函數)來定義，具體方法請參見相關章節的敘述。在大多數情況下，湍流是在入口后面一段距離經過轉操形成的，因 此在邊界上設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

2、流參量的分布規律時，在邊界上采用均勻湍流條件可以簡化模型的設 置。在設置邊界條件時，首先應該定性地對流動進行分析，以便邊界條 件的設置不違背物理規律。違背物理規律的參數設置往往導致錯誤的計 算結果，甚至使計算發散而無法進行下去。在Turbulence Specification Method (湍流定義方法)下拉列表中， 可以簡單地用一個常數來定義湍流參數， 即通過給定湍流強度、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的含義，以保證在設置模型時不出現違背流動規律的錯誤設置：(1)湍流強度(Turbulence Intensity )湍流強度

3、I的定義為：I=Sqrt(u ' *u' +v' *v' +w' *w' )/u_avg (8-1)一上式中u',v'和w'是速度脈動量，u_avg是平均速度。湍流強度小于1%時，可以認為湍流強度是比較低的，而在湍流強度大于10%時，則可以認為湍流強度是比較高的。在來流為層流時，湍流強度可以用繞流物體的幾何特征粗略地估算出來。比如在模擬風洞試驗的計算中，自由流的湍流強度可以用風洞的特征長度估計出來。在現代 的低湍流度風洞中，自由流的湍流強度通常低于0.05%。內流問題進口處的湍流強度取決于上游流動狀態。如果上游是沒有充分發

4、展的未受擾流動，則進口處可以使用低湍流強度。如果上游是充分發 展的湍流，則進口處湍流強度可以達到幾個百分點。如果管道中的流動 是充分發展的湍流，則湍流強度可以用公式(8-2)計算得到，這個公式是 從管流經驗公式得到的：I=u ' /u_avg=0.16*Re_DHA -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構中，而湍流長度尺度l則是與大渦結構相關的物理量。在充分發展的管流中，因為漩渦尺度不可能大于管道直徑， 所以l是受到管

5、道尺寸制約的幾何量。湍流長度尺度l與管道物理尺寸L(8-3)關系可以表示為:l = 0.07L式中的比例因子0.07是充分發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，L可以取為管道的水力直徑。湍流的特征長取決于對湍流發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展過程的唯一長度量。 如果在流動中還 存在其他對流動影響更大的物體，比如在管道中存在一個障礙物，而障礙物對湍流的發生和發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）對于大多數管道流動是適用的，但并不是普遍適用的，在某些情況下可

6、以進行調整。在FLUENT中選擇特征長L或湍流長度尺度l的方法如下：1）對于充分發展的內流， 可以用Intensity and Hydraulic Diameter （湍 流強度與水力直徑）方法定義湍流，其中湍流特征長度就是HydraulicDiameter （水力直徑）HD。2）對于導向葉片或分流板下游的流場，可以用 Intensity and Hydraulic Diameter （湍流強度與水力直徑）定義湍流，并在 Hydraulic Diameter（水力直徑）中將導向葉片或分流板的開口部分的長度L定義為特征長度。3）如果進口處的流動為受到壁面限制且帶有湍流邊界層的流動，可以在Inte

7、nsity and Length Scale 面板中用邊界層厚度 delta_99通過公式 l=0.4*delta_99計算得到湍流長度尺度l。最后在Turbulence Length Scale （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Re_t成正比。湍流雷諾數的定義為：Re_t=k*k/(Epsilon*nu)(8-4)在高雷諾數邊界層、剪切層和充分發展的管道流動中的數值較大，其量級大約在100到1000之間。而在大多數外部流動的自由流邊界上，湍流粘度比的值很小。在典型情況下，其值在 1到10之間。(4)推導湍流變量時采用的關系式為了從前面講到的湍

8、流強度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，必須采用幾個經驗關系式。在FLUENT中使用的經驗關系式主要包括下面幾種：1)從湍流強度和長度尺度求出修正的湍流粘度在使用Spalart-Allmaras模型時，可以用湍流強度I和長度尺度l求出修正的湍流粘度，具體公式如下：nu=Sqrt(1.5)*u_avg*I*L(8-5)在使用FLUENT時，如果在Spalart-Allmaras 模型中選擇Intensity andHydraulic Diameter (湍流強度與水力直徑)選項，則修正的湍流粘度就用這個公式求出。其中的長度尺度l則用式(8-3)求出。2)用湍流強度求出

9、湍流動能湍流動能k與湍流強度I的關系如下：k=1.5*(u_avg*I)八2(8-6)如果在使用FLUENT時沒有直接輸入湍流動能k和湍流耗散率Epsilon的值，則可以使用Intensity and Hydraulic Diameter (湍流強度與水力直徑)、Intensity and Length Scale (湍流強度與長度尺度) 或Intensity and Viscosity Ratio （湍流強度與粘度比）等方法確定湍流動能，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系為：epsilon=C_muA0.75*kA1.5/l

10、（8-7）式中C_mu為湍流模型中的一個經驗常數，其值約等于 0.09。在沒有直接輸入湍流動能k和湍流耗散率epsilon的情況下，可以用Intensity and Hydraulic Diameter（湍流強度與水力直徑）或 Intensityand Length Scale （湍流強度與長度尺度）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和湍流動能k的關系如下： epsilon=rho* C_mu*kA2/mu*（mu_t/mu）A-1 （8-8）式中C_mu為湍流模型中的一個經驗常數，其值約等于 0.

11、09。在沒有直接輸入湍流動能k和湍流耗散率epsilon的情況下，可以用Intensity and ViscosityRatio （湍流強度與粘度比）定義湍流變量，實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算如果計算風洞阻尼網下游試驗段中的流場，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是湍流動能k的衰減量，比如可以設為入口處k值的10%,U_farfield是自由流速度，L_farfield是自由流區域的長度。（8-9）式是對高雷諾數各向同性湍流衰減

12、指數律的線性近似，其理論基礎是衰減湍流中湍流動能k的方程：U*（partial derivative of U with respect to x）=-epsilon（8-10）如果用這種方法計算epsilon ,還需要用（8 8）式檢驗計算結果，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 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Epsilon

13、的計算結果輸入到相應的欄目中。6）用長度尺度計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=kA0.5/（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Intensity and Hydraulic Diameter （湍流強度與水力直徑）或 Intensity and Length Scale （湍流強度與長度尺度）定義湍流時， FLUENT用的就是這種方 法。7）用湍流粘度比計算比耗散率omega的值還可以用 mu_t/mu和k通過下式計算得出： omega=rho*k/mu*（mu_t/mu）A-1（8-12）在使

14、用Intensity and Viscosity Ratio（湍流強度與粘度比）方法定義湍流時，FLUENT就是使用上述關系式對湍流進行定義的。8）用湍流動能定義雷諾應力分量在使用RSM （雷諾應力模型）時，如果用戶沒有在 Reynolds-StessSpecification Method（雷諾應力定義方法）的 Reynolds-StressComponents （雷諾應力分量）選項中直接定義雷諾應力的值，則雷諾應力的值將由給定的k值計算得出。假定湍流是各向同性的，即：Average（u ' _i* u ' _j）=0（8-13）且：Average（u ' _aphla*u' _aphla）=2k/3（8-14）如果用戶在Rey