湍流控制
關(guān)注創(chuàng)建者：王德超 創(chuàng)建時間：2017-09-03
湍流控制的實例教程
EBU-Arrhenius模型突出了湍流混合對燃燒速率的控制作用，并且簡單直觀，其缺點是該模型低估了分子輸運(yùn)和化學(xué)動力學(xué)因素的影響，一般只適用于高雷諾數(shù)的湍流燃燒過程。
針對旋渦破碎模型的不足之處，Spalding在1976年提出了所謂的“拉切滑模型”（Stretch-cut-and-slide Model）。它的基本思想是：第一，在預(yù)混火焰中充滿著包括不同比例的未燃?xì)夂鸵讶細(xì)獾奈F(tuán)，微團(tuán)內(nèi)部的這種不均勻性的尺度在湍流作用下不斷被反復(fù)進(jìn)行的拉伸、切割和滑動而有所減小；第二，在微團(tuán)內(nèi)部的已燃?xì)夂臀慈細(xì)獾慕唤缑嫔洗嬖谥鹧妫韵鄳?yīng)的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣认蛭慈疾糠謧鞑ァ＠谢Ｐ鸵肓死熳饔煤蛯恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葘?em>湍流燃燒速率的影響，是對旋渦破碎模型的發(fā)展。它與旋渦破碎模型一樣定量地描述了流動因素在高雷諾數(shù)湍流燃燒中的控制作用，形式比較簡單，它們的主要不足是忽略或未能恰當(dāng)?shù)目紤]分子輸運(yùn)和化學(xué)動力學(xué)因素的作用，沒有給出湍流和化學(xué)反應(yīng)相互作用的物理圖案，沒有體現(xiàn)湍流脈動的統(tǒng)計特征。同時，這種思想無法解決復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的計算，因為湍流對每一個基元反應(yīng)的正逆反應(yīng)率的影響不會相同，而通過設(shè)想和分析找到多個反應(yīng)速率的模擬表達(dá)式幾乎是不可能的。
1976年，Magnussen提出渦團(tuán)耗散模型(Eddy Dissipation Model)。其基本思想是：當(dāng)氣流渦團(tuán)因耗散而變小時，分子之間碰撞機(jī)會增多，反應(yīng)才容易進(jìn)行并迅速完成，故化學(xué)反應(yīng)速率在很大程度上受湍流的影響，而且反應(yīng)速率還取決于渦團(tuán)中包含燃料、氧化劑和產(chǎn)物中濃度值最小的一個。
展開 第1章 計算流體動力學(xué)基礎(chǔ)知識 1
1.1 計算流體動力學(xué)概述 1
1.1.1 什么是計算流體動力學(xué) 1
1.1.2 計算流體動力學(xué)的工作步驟 2
1.1.3 計算流體動力學(xué)的特點 2
1.1.4 計算流體動力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 3
1.1.5 計算流體動力學(xué)的分支 4
1.2 流體與流動的基本特性 4
1.2.1 理想流體與粘性流體 4
1.2.2 牛頓流體與非牛頓流體 5
1.2.3 流體熱傳導(dǎo)及擴(kuò)散 5
1.2.4 可壓流體與不可壓流體 6
1.2.5 定常與非定常流動 6
1.2.6 層流與湍流 6
1.3 流體動力學(xué)控制方程 7
1.3.1 質(zhì)量守恒方程 7
1.3.2 動量守恒方程 7
1.3.3 能量守恒方程 9
1.3.4 組分質(zhì)量守恒方程 10
1.3.5 控制方程的通用形式 11
1.4 對控制方程的進(jìn)一步討論 11
1.4.1 湍流的控制方程 12
1.4.2 守恒型控制方程 12
1.4.3 非守恒型控制方程 12
1.5 CFD的求解過程 13
1.5.1 總體計算流程 13
1.5.2 建立控制方程 13
1.5.3 確定邊界條件與初始條件 14
1.5.4 劃分計算網(wǎng)格 14
1.5.5 建立離散方程 14
1.5.6 離散初始條件和邊界條件 15
1.5.7 給定求解控制參數(shù) 15
1.5.8 求解離散方程 15
1.5.9 判斷解的收斂性 15
1.5.10 顯示和輸出計算結(jié)果 16
1.6 CFD軟件結(jié)構(gòu) 16
1.6.1 前處理器 16
1.6.2 求解器 17
1.6.3 后處理器 17
1.7 常用的CFD商用軟件 18
1.7.1 PHOENICS 18
1.7.2 CFX 19
1.7.3 STAR-CD 20
1.7.4 FIDAP 21
1.7.5 FLUENT 21
1.8 本章小結(jié) 22
1.9 復(fù)習(xí)思考題 23
第2章 基于有限體積法的
展開 當(dāng)流體的粘性系數(shù)小流速大的時候，雷諾數(shù)就會比較高，流體成為湍流。
對于圓管流動，從層流過渡到湍流的雷諾數(shù)大致在2,000 ～ 4,000 左右。但是需要注意的是，這個值與流動的狀態(tài)和條件有很大關(guān)系，只能作為一個大致的范圍估計。
最后我們來觀察一下身邊的層流和湍流現(xiàn)象。圖3.18所示，我們一起來看一下騎自行車時的狀態(tài)。
圖3.18 騎自行車的例子
周圍的流體為空氣，我們計算一下雷諾數(shù)。
得到的雷諾數(shù)約為40萬，大大超過了剛剛介紹的估計范圍2,000 ～ 4,000。由此可以想象我們身邊看到的流體流動很多都是湍流。
湍流有增大阻力和噪音的缺點，也具有促進(jìn)熱傳遞和混合的作用。所以在產(chǎn)品設(shè)計中適當(dāng)?shù)?em>控制湍流就變得很重要。
下一章作為熱仿真的基礎(chǔ)，我們將介紹溫度與熱，浮力，自然對流和強(qiáng)制對流，熱傳導(dǎo)等概念。
展開 4）壁面和近壁面網(wǎng)格處理原則
在解決流體力學(xué)問題時，多采用湍流模型來處理，需要注意的是湍流模型一般是針對充分發(fā)展的湍流，一般應(yīng)用于高 Re 數(shù)的流動中。但是，一般近壁區(qū)由于黏性的作用，Re數(shù)往往并不大，湍流的發(fā)展不充分，脈動項不如黏性項的作用大，所以近壁區(qū)一般不能用湍流模型來簡單處理，需要對近壁區(qū)采取特殊處理。在劃分網(wǎng)格時就需要注意這一點。
壁面邊界層
對于有壁面的流動，一般分為近壁區(qū)和核心區(qū)進(jìn)行考慮，近壁區(qū)主要是未充分發(fā)展的湍流，而核心區(qū)則是充分發(fā)展的湍流。近壁區(qū)由于受到壁面的影響，可以分為三個部分：
(1）黏性底層
黏性底層是緊貼壁面的一層極薄的流體，在黏性底層的流動中，能量、質(zhì)量和動量的交換主要是黏性力的作用，可以忽略湍流切應(yīng)力，看成是層流流動。在黏性底層平行于壁面分析的速度分量沿壁面法線方向呈線性分布。
(2）過渡層
過渡層是在黏性底層之外對數(shù)層之間的一層流體，過渡層中，黏性力和湍流切應(yīng)力的作用處在同一個量級，流動的情況比較復(fù)雜，但是過渡層非常薄，在實際中，過渡層一般作為對數(shù)層來處理。
(3）對數(shù)層
對數(shù)層是近壁區(qū)的最外層，黏性力的影響不明顯，主要是受湍流切應(yīng)力的控制，湍流基本處于充分發(fā)展的狀態(tài)，流速的分布接近對數(shù)規(guī)律。
ANSYS FLUENT處理近壁區(qū)的流動時，采用的是壁面函數(shù)法，有標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法、非平衡壁面函數(shù)法和增強(qiáng)壁面函數(shù)法，壁面函數(shù)法的本質(zhì)是在黏性底層直接按照半經(jīng)驗公式求解，而在對數(shù)層應(yīng)用湍流模型來求解。
(1）標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法
標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法利用對數(shù)校正法提供了必需的壁面邊界條件。
優(yōu)點：
應(yīng)用廣泛、計算量較小，適用性更強(qiáng)，精度較高。
展開 確保湍流和矢量場分析的準(zhǔn)確性
CFD 工具有助于使用各種模型（例如RANS、LES或 DNS 模型）來評估螺線管矢量場中的湍流行為。可以根據(jù)流態(tài)和所需的精度水平來選擇模型。納維-斯托克斯方程和湍流方程等控制流方程可以準(zhǔn)確地應(yīng)用于流場，并在運(yùn)行模擬時使用迭代方法求解。這使工程師能夠捕獲尾流、渦流和渦流的細(xì)節(jié)，并分析流場內(nèi)的速度和壓力變化以及湍流強(qiáng)度。
通過深入了解湍流行為和螺線管矢量場，可以設(shè)計和優(yōu)化流固耦合，從而提高流體系統(tǒng)的效率和性能。
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文章來源：cadence博客
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湍流控制的最新內(nèi)容
湍流采用雷諾平均控制方程的Favre方法建模[13]。
(3）對數(shù)層
對數(shù)層是近壁區(qū)的最外層，黏性力的影響不明顯，主要是受湍流切應(yīng)力的控制，湍流基本處于充分發(fā)展的狀態(tài)，流速的分布接近對數(shù)規(guī)律。
ANSYS FLUENT處理近壁區(qū)的流動時，采用的是壁面函數(shù)法，有標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法、非平衡壁面函數(shù)法和增強(qiáng)壁面函數(shù)法，壁面函數(shù)法的本質(zhì)是在黏性底層直接按照半經(jīng)驗公式求解，而在對數(shù)層應(yīng)用湍流模型來求解。
希望在有生之年乘坐自動駕駛飛機(jī)
安全性
盡管對乘坐自動駕駛飛機(jī)充滿期待，但有57%的消費(fèi)者表示，他們最擔(dān)心的是沒有飛行員應(yīng)對潛在的外部或內(nèi)部問題，比如湍流和飛行控制
3 邊界條件與求解設(shè)置
采用默認(rèn)的SST k-ω湍流模型，控制壁面的Y+接近1。
我們設(shè)定進(jìn)口流速0.3m/s，類比風(fēng)洞試驗，該速度也是表征推進(jìn)器和母裝備（潛艇、船只）以0.3m/s的速度前進(jìn)。本案例的進(jìn)口速度方向為-Z，則推進(jìn)器移動方向為+Z。
RANS是其中一種方法用于消除湍流尺度，其控制方程為雷諾平均Navier-Stokes方程。為了得到封閉的方程組，需要對這些方程組中的雷諾應(yīng)力項進(jìn)行建模，使方程組封閉。
文章來源：BB學(xué)長
此外，在直接方法的大多數(shù)實際應(yīng)用中，必須使用能夠模擬粘性和湍流效應(yīng)的控制方程，如非定常Navier-Stokes方程(即DNS)、RANS方程，以及在LES和混合RANS-LES模型中使用的過濾方程。
因此，直接法計算非常困難且消耗計算資源，因為其需要高度精確的數(shù)值求解，非常精細(xì)的計算網(wǎng)格，以及聲學(xué)上無反射的邊界條件。
納維-斯托克斯方程和湍流方程等控制流方程可以準(zhǔn)確地應(yīng)用于流場，并在運(yùn)行模擬時使用迭代方法求解。這使工程師能夠捕獲尾流、渦流和渦流的細(xì)節(jié)，并分析流場內(nèi)的速度和壓力變化以及湍流強(qiáng)度。
通過深入了解湍流行為和螺線管矢量場，可以設(shè)計和優(yōu)化流固耦合，從而提高流體系統(tǒng)的效率和性能。
RANS是其中一種方法用于消除湍流尺度，其控制方程為雷諾平均Navier-Stokes方程。為了得到封閉的方程組，需要對這些方程組中的雷諾應(yīng)力項進(jìn)行建模，使方程組封閉。
（2）動量守恒方程
其中，ρ為流體的密度；t為時間；為速度矢量；p為流體微元體上的壓力；τxz、τxy、τxz為分子粘性作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力τ的分量；Fx、Fy、Fz為微元體上的體積力；選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型與以上控制方程組形成封閉方程組
湍流計算收斂性控制
5.
