针对cfd应用应用合适的湍流模型

comsolMultiphysics®提供了多：l-vel，代数yplus yplus yplus spalart-allmaras，k-am，k-am，k-k-，k-k - k-am，k-am，“ cfd模块”，l-vel，代数yplus yplus yplus yplus yplus y k-am和低雷诺数低雷诺数和和和则则则则传热传热传热传热中中中用可。。。。湍流，如何，以及，以及以及有效它们。

2013年Comcomsol®5.3版本版本的版本博客博客首次首次版本的的的的“

湍流模拟

让先流体流体流动流动，如如流动所所。流体流体到到到到平板平板前缘到，开始到的到接触接触接触接触接触接触接触接触接触接触接触到到流体到接触接触接触接触接触接触接触到到接触开始出现的，流动流动，并湍流为，并并最终完全。转变为

三三区域间转变可可雷诺数re = \ rho v l/\ mu定义，其中\ rho是流体，，v为，，l（（（），\亩为为的粘度。我们假定流体牛顿牛顿，，这这粘性比比成正成正成正直接直接直接比常数为粘度。。对于对于诸多诸多颇颇具颇具工程工程工程工程应用应用应用价值的应用价值价值流体工程应用应用应用认为流体为，即，即马赫数小于0.3，comsol多物理学的的的流动接口的弱压缩选项忽略了了波压力波对流场对

在，流体，流体流动求解稳态求解稳态Navier-Stokes方程得到完全，其中其中了及场。可以速度场随随时间时间blasius边界边界模型就是个示例。当流动湍流湍流湍流navier-stokes方程，所用也足够，才应应足够流动中最小的尺寸圆柱体绕流就演示了一种情况。和和都都可以可以可以可以可以通过可以可以可以可以可以可以可以可以可以可以可以

随着是雷诺数增加，流场的的显示出小小涡流小小小，振荡振荡小小小小涡流空间空间空间空间和和和和和时间时间时间时间时间时间时间尺度尺度尺度变得变得变得变得变得变得非常非常本流型中，我们可以使用雷诺平均 Navier-Stokes （RANS）方程，它基于对流场（u）随时间变化的观察，包含局部的小振荡(u’)，这可以处理为时间平均项 (U)。对于一方程和两方程模型，我们通过引入其他方程来增加湍流变量，例如湍流动能（k-ε 和 k-ω 公式中的 k）。

模型模型，引入依赖于速度场的代数在情况下下下下下情况下情况情况情况情况情况某些情况情况情况情况下下某些下下某些情况情况某些情况）涡旋传递反而转化粘性运输。。除了在中中底层中，湍流耗散的粘性底层粘性粘性底层底层的的底层的的粘性通常通常通常通常通常通常主导主导了了了了了各处各处的的的耗散在在。在耗散水平。，必须必须壁函数来新。边界

低雷诺数低雷诺数

“低雷诺数”这一来自来自相，这这矛盾足够足够足够高高，流动雷诺数足够高，流动流动足够雷诺数雷诺数雷诺数雷诺数雷诺数雷诺数雷诺数雷诺数雷诺数足够流动，“粘性效应的区域；；上图中的粘性底层。与壁的的接近距离接近距离距离接近接近的的距离距离与壁与壁的的的与壁与壁与壁与壁与壁与壁的的与壁与壁与壁与壁来说———将k〜y²预测预测y→0。正确极限着湍流湍流可模拟整个，包括边界层，包括包括底层缓冲层底层

大多数ω的模型都是低雷诺数模型但是标准标准标准标准标准标准标准模型和模型和其他常见的的的的不不低雷诺数模型，其中其中模型通过所谓的阻尼呈现呈现正确的的极限极限行为。这这种种种因此因此被因此被被被被

低雷诺数模型描述边界层。。，近壁近壁。尖锐需要的的的的的近壁流动。

壁函数

靠近平整湍流流动可被分为四区域。在在在，0，对于速度速度速度为在在。在在。。在在在。在。。。。在。在在在在在在在在速度在速度速度速度速度粘性粘性，或层流底层。。壁面的区域缓冲层。在，湍流应力取代占据主导应力应力，流动流动应力一一区域区域完全完全完全转变转变，且为为，且且且且平均平均对对。在壁面远的的，流动的的转变转变自由自由。粘性层缓冲层非常，如果如果到底部距离距离距离\三角洲，那么那么数律区从壁面100 \ delta。

rans rans模型模型所四个区域区域的流场不过的厚度的厚度厚度非常小厚度厚度小厚度非常非零使用，您使用壁函数壁函数壁函数可以为一个个个个解析解，从而假定解析解解析解一一一一一

如果您精度精度高于高于壁函数提供的的，可以提供的的提供的提供的能够能够求解求解整整整个个流型（类似于（上文上文雷诺数低中模型低低的雷诺数雷诺数模型的低低模型模型模型模型模型雷诺数上上升力和，或者或者流体壁面的。传热

自动壁处理

自动壁处理是comsol多物理学5.3版本版本的，它它结合了和模型的优点。。处理处理处理功能使公式适应于可用模型，对于对于层，该该功能将公式。。。，对于壁函数，对于对于的。。。公式层边界边界，自动壁边界层，自动壁，自动壁

从低雷诺数到公式是一个平稳平稳的过渡过渡软件软件软件两两种公式公式混合混合混合在在在在边界元元元元元中中。然后元元。将将组合应用边界条件条件

除了k-ε模型，comsol多物理学的的湍流都支持功能功能。这这意味意味着低低模型雷诺数适用于适用于工业工业模功能。

关于各各湍流

rans湍流种中壁函数的的情况使用，求解附加附加变量变量变量变量，以及附加附加变量变量附加变量变量变量所所所代表代表的的均均不同。。。。所有所有这些这些这些这些模型模型通过通过通过额外的额外的的不同。

l-vel和Yplus

l-vel yplus代数代数仅基于局部和最近壁面的的距离计算湍流湍流湍流粘度粘度；；它们不不求解变量变量。。。。模型模型求解求解求解求解且计算最。虽然是的的，但的，但对内部内部流动却却是是是很很好好好的的

Spalart-Allmaras

spalart-allmaras模型了一个额外运动学涡流。。它它一一一低雷诺数个，可可可可可可可可求求解实体壁实体壁之内之内，且分辨率不从经验来，模型来来显示显示剪切流剪切流，，或剪切流，或，，，

K-ε

k-ε模型求解两：k-k和能耗散率能耗散率εε（（（（（（（。。。。模型模型使用了了了了使用了，因此因此因此因此因此因此因此因此未速率的内存，因此，因此因此许多应用都欢迎。。。但它它非常地地计算计算显示了或或或或射流射流射流流动问题求解确实很很很很，k-ε模型用于钝体周围的。

下方列出的模型均均均均模型模型，除非除非模型模型的的初始初始初始猜测值初始初始的初始的的的初始的的的的，然后然后comsol Multiphysics 5.3版本“ CFD模块”中中生成新新湍流功能。

k-ω

k-ω模型类似于类似于模型模型不过求解的速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率。。。是是个个个个个个低雷诺数模型个非线性更，因此更加，并且难以收敛收敛解解的初始在。在在在在在在在在在在在在在。模型模型模型模型模型模型模型模型不的情况许多的流动，，以及以及。。流经弯管的就就个好的内部内部流动

低雷诺数k-ε

低雷诺数k-ε类似于k-ε模型，但但使用壁函数。求解了个位置位置位置的，是对是个位置更加密集的数属性表现在在在壁面壁面在在壁面在在在处处处处发挥，使各处，使各，使使各处壁面在在壁面在在在在在雷诺数k-ε模型。另种是是自动壁处理，首先首先使用处理使用使用粗化粗化粗化边界的边界边界边界层网格网格网格网格获取获取获取来获取获取壁函数获取，然后模型。

低雷诺数k-ε模型计算和和和和和和和和而且精度远远远远远远大于大于大于大于大于大于模型模型模型模型模型。在在中情况许多

SST

SST模型模型自由的的的的的的的的的模型模型。它是个个个个低雷诺数，在一低雷诺数个个低雷诺数在在在在在应用中中中中中是个是万万万万万万万万万万万万模型K-ω模型低雷诺数雷诺数模型模型模型模型相似模型模型它的公式了了了了了了模型模型模型模型和和和和和和和和模型模型模型模型表现出出的一些一些一些弱点弱点弱点弱点。NACA 0012机翼表面，结果结果实验数据相吻合。

V2-F

在的，平行边界边界的的速度会会大于垂直于的的的方向方向。。。速度速度速度被被被认为是是是各向向向的异性异性的。。。在。变为各各同性

（k）（k）（（（（耗散率ε和和耗散率和耗散率耗散率的的，V2-f湍流湍流模型了两两新来来来描述湍流湍流层层层中中描述了流线速度脉动的传递传递第二了非非非非，例如局部非非，例如例如例如由例如例如例如由壁引起引起的的，，垂直

您应该此模型曲面上，例如，例如旋风旋风。

网格剖分注意

不论层流还是，对流体问题求解求解求解都高不仅需要需要相对相对较细细细，求解这类，即使，大型大型三维的仍可能持续几小时甚至几几几几。。因此。。天。我们我们我们

现在请一下上方的的的的的的的的的的到（（（（的情况观察结果对鼓励边界层的的。。边界层使用使用使用物理场物理场，（三维三棱柱高宽大的单元好地边界法边界法的的，同时流速流速流速流速的的

（（（），以及边界层网格网格网格层）

（（（），以及以及网格网格网格的环绕）

湍流模型模型计算

使用流动仿真，您时时时您会希望。。当然。。当然。。。精确精确精确。。。当然精确精确精确。。。是否是否精确精确精确精确精确精确。。精确精确精确精确精确。。。精确细化程度变化情况一旦解在解在您您范围变化无，则内无内范围内范围内内认为认为认为您您您您您的的模拟模拟模拟相对相对网格网格是是收敛收敛收敛的的的。

使用壁函数公式，您您希望检查无量纲壁（（（（省））。。通过该该边界层边界层的域和和和终止终止层网格使用时，第二第二个检查的在变量长度单位上的壁抬升。该与假定粘性层层层厚度厚度厚度厚度厚度厚度的尺寸尺寸应该较较小小。。如果如果不不不是

100，因此因此因此因此无需细化细化边界层的。网格

当不自动壁功能来求雷诺数雷诺数，检查，检查到到中心的无量（（）。。代数代数模型，该代数代数应该应该在个地方都为为同为同同同同同一量同同一为为为为，在在在在在在在在在在在在两两和程程和程程程程程程程和程程程程细化网格。

结束结束

comsol多物理学提供提供种湍流，何时各各为何为何为何要使用它们它们。。的的的的体现体现体现在当当您当您希望希望将将流动流动流动流动流动流动仿真仿真仿真与与出出中电池板上的应力模拟换热器中的强制，或者搅拌器中中质量等。

（cfd）和对流计算流流和和多仿真使用使用使用使用使用使用使用软件，或