椭圆混合模型

椭圆混合湍流模型用于求解湍动能 k、湍流耗散率 ε、标准化(折算)壁面法向应力分量φ=ϑ2¯/k 和椭圆混合因子 α 的传输方程,以确定湍流涡粘度。

Durbin [331] 提出了适用于雷诺应力模型的椭圆松弛概念。初始模型需要对六个额外传输方程求解,但后来减少到只需对一个额外方程求解。该模型后来由 Manceau 和 Hanjalić [334] 加以简化,更符合行业标准。

模型变体

Simcenter STAR-CCM+ 中实现了椭圆混合模型的两种变体:

模型变体 缩写
标准椭圆混合 EBS
滞后椭圆混合 EBL
标准椭圆混合

椭圆松弛模型推动了以 ϑ2_ – f 模型开始的一些双方程涡流粘度模型的开发。其中,最稳定(据其作者声称)的一个模型是 Billard 和 Laurence [330] 提出的 模型。 BL-ϑ2_/k 对此模型进行一番重大修正之后,它能真正稳定地处理复杂流几何。

使用 Billard - Laurence 模型的优点包括:

  • 改进了现有可实现的 模型的精度,特别是在近壁区域。 k - ε
  • 改进了 SST k - ω 模型的稳定性。
滞后椭圆混合

滞后椭圆混合模型将标准椭圆混合模型与 Revell 等人 [ref_link] 最先提出的应力-应变滞后概念相结合。[336]。

在非平衡效应导致应力和应变率张量的主分量不一致的流体区域中,线性涡流粘度模型会过度预测 的结果。 k 为了克服这种效应,滞后椭圆混合模型包含了这些分量之间的角度。额外项将对各向异性效应(类似于非线性本构关系)以及曲率和旋转效应(类似于曲率校正)建模。这些项直接嵌入折算应力函数 [335] 的传输方程中。φ

滞后椭圆混合模型可以很好地预测分离或非稳态流(例如涡流脱落)或具有旋转或强流线曲率的流体。

湍流粘度关系

湍流涡粘度 μt 计算如下:

图 1. EQUATION_DISPLAY
μt=ρCμφk⁢ min⁡(T,CT3CμφS)
(1265)

其中:

湍流时间尺度计算如下:

图 2. EQUATION_DISPLAY
T=Te2+Ct2νε
(1266)

其中:

  • Te=kε 为大涡时间尺度。
  • Ct 为模型系数。
  • ν 为运动粘度。

输运方程

四个变量 k、ε、φ 和 α 的传输方程如下:

图 3. EQUATION_DISPLAY
∂∂t(ρk)+∇⋅(ρkv¯)=∇⋅[(μ2+μtσk)∇k]+Pk−ρ(ε−ε0)+Sk
(1267)
图 4. EQUATION_DISPLAY
∂ ∂ t ( ρ ε ) + ∇⋅ ( ρ ε v ¯ ) = ∇⋅ [ ( μ 2 + μ t σ ε ) ∇ ε ] + 1 T e C ε 1 P ε - C ε 2 * ρ ( ε T e − ε 0 T 0 ) + S ε
(1268)
图 5. EQUATION_DISPLAY
∂ ∂ t ( ρ φ ) + ∇⋅ ( ρ φ v ¯ ) = ∇⋅ [ ( μ 2 + μ t σ φ ) ∇ φ ] + ρ ε 0 ⁢ φ 0 k 0 + P φ + S φ
(1269)
图 6. EQUATION_DISPLAY
∇⋅(L2∇α)=α−1
(1270)

其中:

  • v¯ 为平均速度。
  • μ 为动力粘度。
  • Pk、Pε 和 Pφ 为结果项。
  • Cε1、Cε2*、σk、σε 和 σφ 为模型系数。
  • Sk、Sε 和 Sφ 为用户指定的源项。

L 为湍流长度尺度,计算如下:

图 7. EQUATION_DISPLAY
L=CLk3ε2+Cη2ν3ε
(1271)

其中,CL 和 Cη 为模型系数。

ε 0 、 φ 0 和 k 0 为抵消湍流衰减的环境湍流值 [316]。可以施加环境源项还会导致单位时间尺度 T 0 的定义如下:

图 8. EQUATION_DISPLAY
T0=max⁡(k0ε0,Ctνε0)
(1272)

结果项

结果项 Pk、Pε 和 Pφ 的公式取决于椭圆混合模型变体:

模型变体 Pk Pε
EBS
图 9. EQUATION_DISPLAY
G k + G b − ϒ M
(1273)
图 10. EQUATION_DISPLAY
Gk+Cε3Gb+1Cε1E
(1274)
EBL
模型变体 Pφ
EBS
图 11. EQUATION_DISPLAY
−φk(Gk+Gb)+ρ(1−α3)fw+ρα3fh
(1275)

其中:

fw=−12φTe

fh=−1T(C1−1+C2Gk+Gbρε)(φ−23)

EBL
图 12. EQUATION_DISPLAY
−(2−Cε1)φk(Gk+Gb)+ρ(1−α3)fw+ρα3fh
(1276)

其中:

fw=−(Cε2−1+5−1Cμ)φTe

fh=−1Te(C1+Cε2−2+C1*Gk+Gbρε)φ+CP3Te+C3*2φS+1S2Te[2Cμ(1−C4)AS−2Cμ(1−C5)AW^]:S

A 为雷诺应力各向异性张量,定义如下:

A=−2μtρk[S+2−2C5C1+C1*+12(S+W^):(S+W^)(SW^−W^S)]

其中,S 由 Eqn. (1130) 给出。

W^ 为已修正绝对涡旋张量,由以下公式给出:

W^=W˜−Ws

其中,W˜ 由 Eqn. (1133) 给出,Ws 为 Spalart-Shur 张量,由以下公式给出:

Ws=1S2(SDSDt−DSDtS)

其中:

  • C1、C1*、C2、C3*、C4、C5、Cε2、Cε3、Cμ 和 CP3⁢ 为模型系数。
  • 对结果项的贡献如下:
    描述 公式 其中:
    Gk 湍流结果
    图 13. EQUATION_DISPLAY
    μtS2-23ρk∇⋅v¯-23μt(∇⋅v¯)2
    (1277)
    -
    Gb 浮力结果
    图 14. EQUATION_DISPLAY
    β μtPr⁡t(∇T¯⋅g)
    (1278)
    • β 为热膨胀系数。

      对于使用 Boussinesq 近似的恒密度流,β 由用户指定。

      对于理想气体,β 由 β=-1ρ⁢  ∂ρ∂T¯ 给出。

    • Pr⁡t 为湍流普朗特数。
    • T¯ 为平均温度。
    • g 为重力矢量。
    ϒM 可压缩性修正

    (Sarkar et al.[314])

    图 15. EQUATION_DISPLAY
    ρ ⁢   C M ⁢   k ⁢   ε c 2
    (1279)
    E 额外结果
    图 16. EQUATION_DISPLAY
    Ck(1−α)3νμtkε[∇⋅(‖2Sn‖n)]2
    (1280)

模型系数

系数 EBS EBL
C1 1.7 1.7
C1* - 0.9
C2 0.9 -
C3 - 0.8
C3* - 0.65
C4 - 0.625
C5 - 0.2
Cε1 1.44 1.44
Cε2 1.83 1.9
Cε2* 请参见自由流选项。 Cε2
Cε3 请参见 K-Epsilon 模型 — 模型系数。
Ck 2.3 2.3
CL 0.164 0.164
CM (Sarkar) 2 2
Cμ 0.22 0.22
Cη 75 75
CP3 - 请参见阻尼函数。
CT 1 1
Ct 4 4
σε 1.5 1.2
σφ 1 1
σk 1 1

自由流选项

标准椭圆混合模型和其他双方程模型之间的一项重要差异为破坏项 Cε2* 的系数的定义。此项定义为湍动能梯度的函数,以减小自由流开始主导的缺陷层中的 Cε2 值。但是,对于某些外部空气动力情况,此公式可能导致自由流不稳定。对于此类情况,建议使用 Cε2 常数值:
自由流选项 Cε2*
Variable C2e Option(变量 C2e 选项)
图 17. EQUATION_DISPLAY
Cε2+α3(1−Cε2)tanh⁡[|∂∂xj(μtρσk∂k∂xj)ε−1|3/2]
(1281)
关闭
图 18. EQUATION_DISPLAY
Cε2
(1282)

阻尼函数

对于求解粘性层和缓冲层的湍流模型,阻尼函数会模拟壁面附近湍流混合的降低。对于滞后椭圆混合模型,壁面运动阻塞在模型系数 CP3 中实施,如下:
图 19. EQUATION_DISPLAY
CP3=fμCμ(23−C32)
(1283)

其中,C3 为模型系数,阻尼函数 fμ 定义如下:

图 20. EQUATION_DISPLAY
fμ=η+α3max⁡(η,1.87)
(1284)

时间尺度比 η 计算如下:

图 21. EQUATION_DISPLAY
η=STe
(1285)

对基本模型的更改

对 Billard 和 Laurence [330] 提出的原始模型的主要更改如下:

  • 出于稳定性原因,移除了 φ 传输方程中的额外交叉扩散项。
  • Cε2* 定义中的常数,作用于其缺陷层中的衰变,已从 0.4 增加到 1。
  • 额外耗散项 E(用于考虑粘性壁面效应)已从 k 方程移回到 ε 方程。此更改是为了确保稳定性,以及避免某些情景中出现不期望的再层流化效应。