湍流模型及其应用于流体数值模拟的研究

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：湍流的重要特点是物理量的脉动，目前描述湍流流动的数值模拟方法主要包括直接数值模拟、大涡模拟和分离涡模拟等。分离涡模拟方法是将大涡模拟和雷诺平均方法结合，在壁面处采用分离涡模拟方法，在湍流的核心区域采用大涡模拟方法。模型考虑了网格的各向异性，且调整亚网格长度尺度来实现RANS向LES的过渡。除此之外，为解决近壁雷诺应力估计不足的问题，IDDES模型中增加新项fe。

内燃机整个工作循环中，其缸内气体充量始终进行复杂而又强烈瞬变的湍流运动。湍流的重要特点是物理量的脉动，目前描述湍流流动的数值模拟方法主要包括直接数值模拟、大涡模拟和分离涡模拟等。直接数值模拟和大涡模拟的计算时间成本过高，造成资源的浪费。分离涡模拟方法是将大涡模拟和雷诺平均方法结合，在壁面处采用分离涡模拟方法（DES），在湍流的核心区域采用大涡模拟方法（LES）。在大涡模拟计算中，壁面处采用LES方法几乎会占用一半的计算时间。考虑到计算量的问题，分离涡模拟方法是非常合适的选择。分离涡方法将随机变化的湍流瞬时量分解为统计平均值 pagenumber_ebook=171,pagenumber_book=161 -和φ′，且湍流参数的瞬时值等于平均值与脉动值的线性叠加，即

分离涡模拟方法基于雷诺平均方法中的单方程模型Spalart-Allmaras模型构建[3]，其采用了统一的模型，雷诺平均方法模拟（RANS）与大涡模拟方法模拟区域的切换采用非区域化渐变模式。

在延迟分离涡模型（IDDES）中，对亚网格长度尺度进行了重新定义。模型考虑了网格的各向异性，且调整亚网格长度尺度来实现RANS向LES的过渡。调整后的亚格尺度长度Δ为

式中，dw为到壁面的距离；hwn为近壁法向网格尺寸；Cw为经验常数，对于附着流动，其取值0.15；hmax=max｛hx，hy，hz｝为非近壁区网格三方向尺寸的最大值。

调整后的亚网格长度尺度Δ沿壁面方向有两种增长方式，第一种是当壁面距离大于近壁法向网格尺寸时，Δ取为定值；随后随壁面距离呈现线性增长的规律，直至壁面距离达到非近壁区网格尺寸，这时亚网格长度尺度过渡到非近壁区网格尺寸hmax。另一种为近壁网格法，法向尺寸的增长率较大时，在线性增长阶段，Δ以更高的增长率变化。

调整后的亚网格长度尺度减小，且在合理的范围内设定了一个陡峭的变化率，这样可以准确模拟RANS到LES过渡区的流动失稳现象。

基于前面的描述，可知IDDES既适合于大尺度分离的模拟，又适合附着流动（WMLES）模拟。对于模拟大尺度分离，重新定义的IDDES可写为

调整后的亚网格长度尺度减小，且在合理的范围内设定了一个陡峭的变化率，这样可以准确模拟RANS到LES过渡区的流动失稳现象。

基于前面的描述，可知IDDES既适合于大尺度分离的模拟，又适合附着流动（WMLES）模拟。对于模拟大尺度分离，重新定义的IDDES可写为

式中，lRANS为RANS 层面的求解尺度，用Spalart-Allmaras 单方程模型时，lRANS=dw；当用k-ωSST模型时，lRANS=k1/2/（Cμω）。

LES 层面的求解尺lLES定义为lLES=CsΨΔ，其中，Ψ为低雷诺数修正函数，可写为

式中，lRANS为RANS 层面的求解尺度，用Spalart-Allmaras 单方程模型时，lRANS=dw；当用k-ωSST模型时，lRANS=k1/2/（Cμω）。

LES 层面的求解尺lLES定义为lLES=CsΨΔ，其中，Ψ为低雷诺数修正函数，可写为

在大多数情况下，忽略式中的ft2，上式可写为

对于附着流动的模拟，求解尺度定义为

fb函数起到调控RANS和LES区域的作用，可写为

fb保证模型从RANS到LES模式的快速切换。