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湍流分析在计算流体动力学(CFD)中的基本过程
  • 时间: 2020-11-20
  • 作者: rootfea
  • 文章来源:

1    概述

湍流分析是计算流体力学中非常重要的一种分析类型,在有限元分析技术中具有总要的应用,当雷诺数超过一定数值后,流体在内流场与外流场中都表现为湍流形式。

2    计算流体动力学中的湍流模型

目前可用于工程计算中的湍流模型包括三类:直接数值模拟(DNS);大涡模拟(LES);基于雷诺平均N-S方程组模型(RANS)。

DNS与LES都受制于计算机软硬件发展,实际工程中采用不多;通常情况下工程师使用湍流模型主要包括RANS模型。RANS模型包括很多湍流方程模型,比如1方程模型、2方程模型等。

一般情况下,在内流场中,雷诺数大于2300就需要考虑湍流计算;在外流场中,雷诺数大于20000就需要考虑湍流计算。

湍流模型的选择非常丰富,常规工程应用中,主要选择2方程----k-e方程。

3    典型例子

3.1 实例说明

某容器入口流速为10m/s,容器出口与入口直径相同,均为10mm,环境压强为1个大气压,容器内流体为空气(空气动粘度系数为1.7894e-5kg/m-s,密度为1.225kg/m3),研究入口速度稳定后的容器内流场分布。

网格模型示意图

image001.png

3.2 分析思路与求解过程要点说明:

0需求,此流场分析为内流场分析,计算得雷诺数约为7000,选择2方程k-e湍流方程;

1选择合适的网格模型以及求解设置条件;

3选择合适的计算机设备求解;

4对求解结果进行合理判断

3.3 实例结果与讨论

CFD计算结果涡流场显示

image003.jpg

从结果可以看出,流体表现为明显的湍流漩涡,不过从结果可以看出,模型中主要表现出了大尺度涡流,小尺度涡流看不到,说明此结果是近似结果,如果需要得到小尺度涡流的计算结果,需要非常高端的计算机配置完成。

提取CFD计算结果中的压力与速度分布如下

从图中可以看出,压力分布与速度分布是符合实际模型应用场景的,也就是说,如果得到基本合理的大尺度涡流,也就可以得到工程上更加关注的压力与速度等流体分析结果,小尺度涡流计算目前仅仅处于研究阶段,大多数工程应用是不考虑的。

4    总结与说明

湍流分析计算过程中注意事项:

1,选择合理的湍流模型做初步计算,此时,可建立相关模型的等效简化模型,不需要较为密集与完美的网格,通过初步计算需要确定当前模型的湍流方程,求解算法等内容;

2,建立实际模型的完美网格;

3,由于湍流计算的结果都是近似结果,部分结果与实际相差50%以上,所以需要工程师具有非常丰富的行业经验。


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