气相湍流模拟目前大致分为三大类:微观模拟、概率密度函数模拟、统观模拟

来源:互联网 发布:安易数据恢复软件免费 编辑:程序博客网 时间:2024/04/28 07:29

气相湍流模拟目前大致分为三大类:微观模拟、概率密度函数模拟、统观模拟:

 

微观模拟

     目前,基于连续介质理论体系下的湍流微观模型包括直接求解N—S方程(DNS)、大涡模拟(LES)、离散涡模拟(DVS)三类。

      DNS方法是在湍流尺度下的网格尺寸内不引入任何封闭模型的前提下对N—S方程直接求解。这种方法能对湍流流动中最小尺度涡进行求解,其所得结果的误差仅是一般数值计算所引起的那些误差,并且可以据需要而加以控制,但必须采用很小的时间与空间步长以达到统计的稳定状态,因此,DNS方法仅限于很小空间内相对低的雷诺数和简单边界条件的湍流流动模拟,如槽道流动与平板边界层流动;另外由于DNS方法计算量很大,目前尚无法用于工程问题。

      LES方法的基本思想是:湍流流动是有许多大小不同尺度的涡旋组成,大尺度的涡旋对平均流动影响比较大,各种变量的湍流扩散、热量、质量、动量和能量的交换以及雷诺应力的产生都是通过大尺度涡旋来实现的,而小尺度涡旋主要对耗散起作用,通过耗散脉动来影响各种变量。由于网格尺度比湍流尺度大,可以模拟湍流发展过程中的一些细节,用于比较简单的剪切流运动和管流。由于LES方法计算精度可与DNS方法相比,LES方法可得到真实瞬态流场精度相当高,但其计算费用却便宜得多,所以近几十年来得到飞快发展。目前该模型主要用于检验统观模型。

      离散涡或随机涡模拟是把湍流流场分成一系列大尺度涡元,用涡元的随机运动来模拟湍流。它能获得混合层和尾涡中大尺度涡旋机理的本质,目前也得到了一定程度的应用[54]。总的来说,离散涡模拟(DVS)仍是比较新的求解N—S方程的一种数值方法,尚处于形成阶段。最主要的原因是定性上描述尚可而定量上精度难以确定。就已得到的结果而言,只能给出合理的现象。其主要问题是:(1)涡旋尺寸分布的确定有任意性;(2)未考虑含能涡和耗散涡的差别;(3)尚难以用于三维问题。

概率密度函数模拟

      近年来,由分子运动理论推导的概率密度函数(Probability Density Funtion)输运方程,简称PDF模型。与通常的湍流模型相比,PDF模型能够对湍流流场进行更为精确和完整的描述。应用PDF模型计算的平面混合层流流动、平面尾流、平面射流和轴对称射流四种剪切流动的扩展率、平均速度的分布和Reynolds应力的计算值与试验值吻合较好。用这种方法对湍流自由射流进行模拟,得到的射流扩张率、平均速度及Reynolds应力与试验值十分吻合。采用PDF模型模拟湍流燃烧和污染物的生成的较多。

统观模拟

      在单相湍流领域内,上述两种模拟方法在工程应用上的困难,按国内外一些学者的看法,可用于工程应用上的现实模拟方法是雷诺方程组与关联矩封闭方法。它将雷诺时均方程及湍流特征量输运方程中的高阶未知关联项用低阶未知关联项或时均量来表达,从而使雷诺时均方程封闭。对于这些关联量的处理,有各种模型:湍流粘性系数模型、代数雷诺应力模型(ASM)、雷诺应力模型(DSM)。而其中较为常见、较为有效的是k-ε双方程模型和雷诺应力模型。k-ε双方程模型相对来说较为简单,使用方便,适合工程问题的研究,目前应用得最多,对其解决各种流动问题的有效性也认识得最清楚。

      k-ε双方程模型有以下优点:(1)通过求偏微分方程考虑湍流物理量的输运过程,即通过求解偏微分方程确定脉动特征速度与平均场速度梯度的关系,而不是直接将两者联系起来;(2)特征长度不是由经验确定,而是以耗散尺度作为特征长度,并由求解相应的偏微分方程得到。

      k-ε双方程模型在应用时也有其局限性:它不能用于低雷诺数的层流条件,适合用于高雷诺数、充分发展的湍流流动区域。基于各向同性的标准k-ε双方程模型可以较成功的模拟无浮力平面射流、平壁边界层、管流及有弱旋的回流流动;而对强旋流、浮力流、重力分层流以及曲壁边界层和低雷诺数流动问题,有很大的缺陷。这主要有两方面的原因:一方面是因为k-ε模型中ε方程模拟的不准确性,另一方面是因为采用了各向同性涡粘系数的Boussinesq假设,无法预报各向异性很强的湍流流动。一般认为Sn(旋流数)﹤0.5以下,采用各向同性的湍流粘性系数模型,这时标准的k-ε双方程模型能较好地预报流场内的分布特性,当Sn﹥1时,标准的k-ε双方程模型的预报是不成功的,必须对标准的k-ε双方程模型进行修正。

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