本文描述ANSYS CFD中湍流应用指南。

以下内容翻译自ANSYS官方提供的培训PPT。

1 RANS湍流模型

1.1 选择何种模型

• ANSYS Fluent和ANSYS CFX中的许多RANS模型及其变种是历史发展的结果
• ANSYS推荐采用k-w家族的模型，原因包括
• 最准确和稳健的格式
• 最简单及最优的壁面处理(y+-不敏感)
• 与软件中的其他模型的兼容性更好，特别是层流湍流转捩模型
• 更好的灵活性（SST模型中调整系数a1，在大范围的流动条件下调整GEKO模型）
• 所有现有的模型(如k-epsilon模型等)将在未来得到支持，但进展有限
• 现有的k-e模型可以转换为GEKO模型

1.2 ω方程集成平台

• 湍流模型需要一个基本的尺度方程
• 在ANSYS CFD中，ω-方程符合这个目的
• 推荐采用的家族模型
• SST/BSL
• GEKO
• RSM-ω

1.3 在k-w模型族中选择

1、涡粘模型

• SST
• 好的起点
• 整体分离预测相当准确
• 可通过参数a1调整边界层分离的灵敏度(增加a1会延迟分离，a1>0.4与BSL模型本质上相同)
• GEKO
• 提供范围广泛的校正系数，可以全局或局部调整
• 能够模拟其他模型（如SST、k-epsilon等）

2、EARSM/RSM模型

• EARSM-WJ(Fluent中的β)
• 能够与BSL或GEKO模型结合使用
• 对一些角区流动分离问题进行改进，不过没有额外的曲率校正，对涡流或曲率没有任何好处
• RSM
• 与BSL模型联合使用
• 潜在改进包括：角区流动分离、包含旋转或曲率流动、不同流动特性的复杂相互作用
• 经常存在稳健性问题

1.4 模拟之前需要问的问题

• 流动是否可以由RANS模型的子模型描述？
• 若可以，则选择RANS模型的子选项
• 若不能，是否可以通过调整GEKO模型的一些选项以适应流动？
• 若不行，则使用SRS模型（如SBES）
• 流动雷诺数多少？
• 在中等Re数(1E4-1E6)和边界层的情况下，是否需要包括层流湍流转捩？
• 是否应该激活Curvature Correction?
• 是否需要考虑额外的物理现象（浮力、壁面粗糙度等）？
• 需要包括多少几何？需要在多远的地方设置边界？我是否应该测试这些决定的影响？
• 模拟的网格划分要求是什么？时间尺度/成本是多少？
• 能否负担得起网格细化研究？或者以前做过类似的研究吗?
• 边界条件有多精确？否需要对边界的变化进行敏感性研究？
• 什么是最优解算器/数值设置？
• 对于稳态计算，非收敛的计算结果应当谨慎处理。这种情况下最好切换到瞬态设置
• 对于瞬态的SRS仿真尤其重要，最优设置可以节省大量的CPU/项目时间
• 对于SRS，什么时候开始进行平均处理？

1.5 k-w模型选项

• 壁面处理（Wall Treatment）
• 无选项，通常为y+不敏感
• 曲率修正（Curvature correction）
• 用于旋转占优的流动问题
• 层流-湍流转捩
• 使用Intermittency Transition模型，该模型要比Transition SST模型简单
• 角区流动（corner flow）
• 使用Stress-BSL或EARSM WJ
• 壁面粗糙度
• 用于壁面粗糙度大于h+~5的场合
• 浮力
• 根据稳定或不稳定分层流动的需要
• 可压缩效应（Compressibility Effects）
• 影响高马赫数流动（Ma>4）
• 混合层已校正但边界层流动测试不佳
• 低雷诺数校正(Fluent)-不要使用。它模拟转捩，但如果流动是转捩的，最好使用其中一个转捩模型

2 SRS模型选择

• 对于大多数流动问题，SBES模型（Stress-Blended Eddy Simulation）都可以作为备选项
• 容易设置
• 自动探测RANS及LES区域
• 快速，RANS与LES快速切换
• 如果触发到SRS模式，可以在WMLES模式下运行
• SBES总是优先于DES家族的模型
• SAS模型（Scale-Adaptive Simulation model ）
• 优点：SAS在粗网格和时间步长上有一个URANS/RANS回退求解方法
• 缺点：在流动非稳定性较弱的区域，SAS模型停留在稳定或URANS模式

3 RANS-LES模型场景

• 角区流动分离
• RANS模型中的边界层中的流动
• LES中的自由剪切流动

• 流动分离及再附
• 台阶下游的LES区域流动保持
• 下游粗网格区域转换至RANS模式

• 有界壁面流动

4 SRS流动类型

4.1 全局不稳定流动

• 物理现象
  
• 流动不稳定性是产生湍流的主要原因
• 解析湍流不依赖于上游RANS区域湍流的细节(RANS模型可以确定分离点，但由此产生新的湍流)
• 典型的高度不稳定流动
  
• 具有强旋流不稳定性的流动
• 钝体流动，横向射流
• 大规模分离流动

• 模型选择
• 对于这些流动问题，基本上所有的混合RANS-LES模型都能够工作得很好
• （推荐）SBES：最优的全局混合RANS-LES模型，但对所有自由剪切流都要求LES分辨率
• （推荐）SAS：最容易使用，因为它可以快速转换成LES模式，并自动覆盖RANS中的边界层。更适合于粗糙网格上使用
• （不推荐）ELES：其实并不需要，因为流动不稳定性强到足以将模型推入LES模式。经常难以为合成湍流准备界面

4.2 局部非稳定流动

• 物理现象
  
• 流动不稳定性较弱，RANS/SAS模型保持稳态
• 通常可以用合理精度的RANS模型替代
• 由于模型提供的低涡粘性，SBES和DES模型不稳定。只适用于精细的LES质量网格和时间步
• 中度不稳定流动的类型
  
• 射流、混合层流动等

• 模型
• （推荐）SBES：可以通过细密计算网格及小的时间步长Δt触发进入LES模式，需要仔细的生成计算网格。上游边界层采用RANS模式
• （推荐）ELES：在细网格和小时间步长Δt 时工作于LES模式。需要仔细地生成网格。上游边界层(管道流动)采用昂贵的LES模式。
• （不推荐）SAS：保持在RANS模式。以RANS模式计算上游边界层。可以通过RANS-LES界面触发到SRS模式。

4.3 略不稳定流

• 不稳定流动的类型
  
• 管流，通道流，边界层等
• 物理现象
• 转捩过程缓慢，如果只在界面上将湍流模型从RANS切换到LES，则需要几个边界层厚度。
• 因此，从上游RANS切换到SRS模型时，需要一个具有合成湍流产生的RANS到LES界面。
• RANS-LES界面需要置于非临界(平衡)流区。界面下游需要全LES分辨率
• 模型
• （推荐）SBES：可以由合成湍流触发进入WMLES模式
• （推荐）ELES：在细网格和小时间步长Δt时工作在LES模式。需要仔细地生成网格。上游边界层内采用RANS模式，合成湍流RANS-LES界面
• （不推荐）SAS：保持RANS模式。典型的RANS解决方案。可以通过RANS-LES界面触发到SRS模式。
• （不推荐）DDES：可以通过细网格和小时间步长Δt出发进入LES模式。需要仔细地生成网格。上游边界层采用RANS模式

4.4 SRS流型总结

• 在模型选择和数值设置时考虑流型
• 混合SRS模型用于壁面外流动（自由剪切流动）
• RANS模式下的壁面边界层和LES模式下的自由剪切流动
• SBES模型总是优于DES家族的模型
• SAS模型仅适用于强流动不稳定、时间步长和网格太粗(SAS在非常大的时间步长上恢复URANS)的情况
• 对于SRS模型中的有壁流动（LES，WMLES）
• 如果边界层内需要LES/WMLES，那么CPU成本将急剧增加
• 注意LES/WMLES模拟处于工程可行性的极限，它们需要项目资源(时间和计算能力)，而这些资源往往是不现实的
• 只有非常精细的网格和仔细的参数设置，边界层的LES/WMLES才能比优化的RANS模型工作得更好

5 典型应用

5.1 航空外流场计算

• 对于航空外流场计算，SST模型被认为是最精确的模型之一
• 为叶尖涡流动增加曲率校正（Curvature Correction ）
• 为流动添加层流湍流转捩模型
• 边界层内使用细密网格（Y+~1，>20层网格）
• 为尖角区域增加EARSM模型
• 激活粘性热（Viscous Heating）选项
• 替代方案
• 采用类似SST设置的GEKO模型
• 采用Spalart Allmaras模型

5.2 汽车外流场

• 对于汽车空气动力学流动，SST模型对分离预测过于激进，可能导致分离作用的过度预测和不稳定
• 增加系数a1（a1~0.35）或使用BSL模型
• 利用SBES模型进行尺度解析仿真(SRS)，可以得到较好的预测结果
• 气动表面上使用10~20层网格
• 替代方案
• 采用类似BSL模型的GEKO模型（Csep~1）
• 非定常湍流(车轮周围或汽车后面)的情况下需要使用GEKO-SBES模型

5.3 旋转机械叶片流动

• 对于叶轮机械叶片流动，通常采用默认设置的SST模型
• 层流湍流转捩模型通常是必不可少的，使用γ-re或γ单方程模型
• 在进行转捩模拟时，确保很好地估计入口湍流水平
• 对壁面边界层使用精细网格，特别包含有专类模型时(20-30层网格)
• 使用EARSM进行hub-blade(hub-shroud)分离计算
• 替换方案
• 使用GEKO模型
• BSL/GEKO EARSM模型

5.4 一般工业流动

• 一般工业流动中常包含有由几何（边、角等）引起的流动分离
• 使用SST模型或BSL模型减小分离敏感性
• 许多工业流动不受制于壁面，并包含有大的流动分离
• RANS可能导致过大的分隔区域和/或不正确的流拓扑结构
• 使用尺度分解模拟(SRS)模型(SBES或SAS)来预测正确的大规模混合和相互作用
• 用于强旋流
• 雷诺应力模型或添加曲率校正
• SBES用于求解涡流
• 选择
• GEKO提供了高灵活性，以调整模型系数的应用
• GEKO系数甚至可以在不同的区域进行不同的调优(UDF)

5.5 燃烧室

• 燃烧室的设计目的是产生强混合
• 使用SRS模型来解决混合/燃烧区域的湍流
• 如果传热很重要，使用全局混合模型- SBES以RANS模式覆盖边界层

6 最佳实践

6.1 边界层分辨率

• 边界层要求最小分辨率才能得到精确的结果
• 网格数量取决于精度需求
• 对于空气动力学计算，边界层网格应在10层以上，高精度模拟需要30~40层以上
• 对于工业流动问题，边界层内网格10层左右
• 对于复杂流动，只能提供少量边界层网格（3~5层），此时计算精度可能会受影响

6.2 转捩模型的网格需求

• 在壁面法向边界层中需要非常精细的网格
• 求解非常薄的层流边界层
• 求解转捩过程
• 求解层流-湍流bubbles
• 网格可以根据网格的壁面y+值和膨胀率(ER)来划分

• 湍流再附着的层流分离bubble需要在流方向上进行精细网格划分

10.1福利第四波

注：识别下方二维码或点击原文链接可领取70元仿真微课堂优惠券，今天最后一天发放519张，领完为止。

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道