多相湍流流動基礎(chǔ)和數(shù)值模擬西安講學-3

西安理工大學講學

多相湍流流動基礎(chǔ)和數(shù)值模擬(3）

2005年7月7日-13日多相湍流流動模擬基礎(chǔ)（1）清華大學航天航空學院工程力學系周力行教授主要參考書周力行，湍流氣粒兩相流動和燃燒的理論與數(shù)值模擬，科學出版社，北京，1994周力行，多相湍流反應(yīng)流體力學，國防工業(yè)出版社，北京，2002。大綱基本守恒方程液體/氣體湍流模型—k-模型雷諾應(yīng)力方程模型代數(shù)應(yīng)力模型

研究背景流體湍流現(xiàn)象本身已經(jīng)很復(fù)雜，多相湍流和湍流燃燒現(xiàn)象更復(fù)雜

連續(xù)相和離散相的脈動之間有強烈的相互作用多相湍流流動和燃燒模型是CFD軟件的理論基礎(chǔ)湍流模型，即周培源提出的封閉和求解雷諾方程的方法，目前仍然是解決工程問題的唯一有效方法長期以來，湍流模型研究只針對單相流體本身最近，雙流體模型比顆粒拉氏軌道模型得到更快的發(fā)展原來的雙流體模型缺乏對顆粒脈動的確切認識我們提出了“顆粒湍流”和“多相湍流模型”的概念基本守恒方程組層流/瞬態(tài)稀疏多相流動守恒方程組（1）

層流/瞬態(tài)稀疏多相流動守恒方程組（2）

針對湍流多相流動的Reynolds展開和取時平均瞬時量=平均量+脈動量.多相湍流反應(yīng)流動的流體/氣體方程組雷諾平均后出現(xiàn)的二階矩，即流體/氣體雷諾應(yīng)力、熱流和物質(zhì)流是未知的，要建立封閉模型多相湍流反應(yīng)流動的顆粒相方程組

（只考慮阻力和重力）雷諾平均后出現(xiàn)的二階矩，即顆粒雷諾應(yīng)力、熱流和物質(zhì)流是未知的，要建立封閉模型

液體/氣體湍流模型RANS模擬和湍流模型湍流是流體力學中尚未完全解決的復(fù)雜理論問題

工程中早期常用的是取湍流粘性系數(shù)為常物性系數(shù)和射流積分法周培源在50多年前建議求解Reynolds時均方程組及關(guān)聯(lián)量輸運方程的方法30多年前Launder等人實現(xiàn)了湍流模型（模式）方法，即湍流的統(tǒng)觀模擬，目前稱為RANS模擬近代發(fā)展的DNS和LES，由于計算量很大，尚不能普遍用于工程問題湍流模型的基本思想是根據(jù)物理概念用低階關(guān)聯(lián)量或平均流性質(zhì)來模擬未知的高階關(guān)聯(lián)量，從而封閉平均量方程組或關(guān)聯(lián)量方程組

雷諾應(yīng)力方程的原始形式

產(chǎn)生項Dij,ij,和ij需要封閉模型擴散項壓力-應(yīng)變項耗散項模擬封閉的基本原則

分析每一項的物理意義運用量綱分析法在坐標變換中，模擬后的項與原來的項有相同的特性對三階關(guān)聯(lián)量允許使用梯度模擬各向同性耗散各向異性向各向同性的回歸

擴散項的梯度模擬-Daly-Harlow模型

各向同性的應(yīng)力耗散模型壓力應(yīng)變項的IPCM模型（IsotropizationofProductionandConvection

Model)其他模型—GL模型,SSG和FLT非線性模型k-ε雙方程模型

Boussinesq表達式混合長模型-零方程模型湍流動能方程的簡化-局部平衡：忽略對流和擴散：產(chǎn)生=耗散

其他的湍流模型修正的k-模型-低Re數(shù)k-模型-RNG-k-模型-旋流和浮力流動的Richardson修正的k-模型-可實現(xiàn)性k-模型和Reynolds應(yīng)力方程模型(DSM)相對應(yīng)的代數(shù)應(yīng)力模型（AlgebraicStressModel，ASM)多尺度k-和Reynolds應(yīng)力模型用k-ε模型模擬無旋突擴回流流動旋風分離器中強旋流動…k-ε___ASM突擴流動軸向速度（實驗，DSM，---ASM，k-）

旋流突擴流動軸向速度（實驗，DSM，---ASM，k-）

旋流突擴流動軸向速度(DSM)旋流突擴流動軸向脈動速度(DSM)

旋流突擴流動軸向速度

環(huán)管中旋流流動（a）k-ε（b）原ASM（c）改進的ASM分離器中強旋流動（改進的DSM）湍流模型應(yīng)用的結(jié)論不存在普遍而通用的湍流模型對邊界層、射流、管道、槽道和無分離的噴管流動等可以用混合長模型對二維或三維無浮力，無旋或