文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:
几种湍流模型在平面叶栅装置的模拟应用
吴晗,龚杰,於永,吴一宁,王秋旺*
(西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室,西安 710049)
(Tel: 029-82663222, E-mail: ******@.)
摘要:本文重点阐述了几种常用的湍流模型, 并分别选用这几种模型对二维平面叶栅装置中的湍流运动进行了数值模拟。结果显示, RNG κ-ε湍流模型及Realizable κ-ε模型收敛较快,且结果可靠性较好。由此可见对于平面叶栅装置有漩涡和大的流线弯曲的湍流模拟中, RNG κ-ε湍流模型及Realizable κ-ε模型比标准κ-ε湍流模型更适用。RSM模型虽可靠性较好,但在实际应用中并没有在所有的流动问题中都体现出其优势。
关键词:湍流模型;平面叶栅;Reynolds平均法
0 前言
湍流特性在工程中占有重要地位,多数工程问题中的流动往往处于湍流状态。从物理结构看,湍流可以看成是不同尺度涡叠合而成的流动。大尺度的涡由于边界、扰动及速度梯度的作用不断产生,通过涡间相互作用向小尺度涡转化,最后由于粘性作用消失,并同时完成能量的获得、传递与向热能的转化。这些不同尺度涡的随机运动造成湍流的一个重要特点即其脉动性,使湍流成为一种高度非线性的复杂流动。至今尚无一种方法能高效准确地模拟所有流动问题中的湍流现象。
目前各工程领域的学者们在不断提高湍流模式理论严谨性及湍流模型的工程适用性方面纷纷作出努力。武汉理工的熊鳌魁[2]对部分有关湍流模式理论的文献和资料作了总结和归纳, 从中简单归结了湍流模式理论的发展脉络和梗概;Pascale Kulisa等[3]研究了气动热叶轮机械流的线性和非线性双方程湍流模型;陈永辉等[4]对锅炉内燃烧中湍流流动现象的模拟常用湍流模型进行了总结;任志安等[5]对几种湍流模型在二维离心式鼓风机的空气流动进行了数值模拟;倪浩清等[6]则对水力工程中的湍流流动进行了模拟计算与实验验证.
目前湍流数值模拟方法主要有直接数值模拟法、大涡模拟法及Reynolds平均法。由于对计算资源及网格精度等要求较高,前两种方法并不广泛应用于工程中。而Reynolds平均法凭着其适用范围广、经济以及合理的精度,成为目前大多数工程湍流问题计算的首选。本文通过数值模拟平面叶栅装置内充分发展的湍流运动,对四种工程中常用的基于Reynolds平均法的湍流模型,即标准κ-ε两方程模型、RNG κ-ε模型、带旋流修正的Realizable κ-ε模型以及Reynolds应力方程模型的适用情况进行了比较分析。
1 Reynolds平均法及其常用湍流模型简介
Reynolds平均法简介
多数观点认为,虽然瞬时的Navier-Stokes 方程可以适用于描述湍流,但其非线性化使得用解析方法精确描写三维时间相关的全部细节极端困难,而且即使得到这些细节,对解决实际问题也没有多大意义,因为从工程的观点看,重要的是湍流所引起的平均流场的变化,是整体的效果。所以Reynolds平均法的核心不是直接求解瞬时的Navier-Stokes 方程,而是想办法求解时均化的Navier-Stokes 方程(即把湍流物理量
资助项目:国家自然科学基金国际交流与合作资助课