胶水泵内流场湍流模型的选择

2013/12/9 10:15:14      点击:

1.胶水泵内流场湍流模型简介
目前胶水泵湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟和非直接数值模拟方法。直接数值模拟方法是指直接求解瞬时湍流控制方程,非直接数值模拟方法就是不直接计算湍流的脉动特性,而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处理,非直接模拟法又可分为大涡模拟看UReynolds平均法。

直接数值模拟法(Direct Numerical Simulation,简称DNS)方法的最大好处是无需对湍流流动作任何简化或近似,理论上可以得到相对准确的计算结果。但湍流出现在速度波动的地方,这种波动使得流体介质之间相互交换动量、能量和引起浓度变化,而且引起了数量的波动。由于这种波动是小尺度且是高频率的,需要在微小的空间和时间步长下,能分辨出湍流中详细的空间特性和时间特性,所以在实际工程计算中直接模拟的话对计算机的要求很高,目前还无法用于真正意义上的工程计算,但大量的探索性工作正在进行之中。随着计算机技术,特别是并行计算技术的飞速发展,将这种方法用于实践工程计算。
大涡模拟(Large Eddy Simulation,简称LES)方法的基本思想可以概括为:
用瞬时的Navier-Stokes方程直接模拟湍流中的大尺度涡,不直接模拟小尺度涡,而通过近似的模型来研究小涡对大涡的影响。LES方法对计算机内存及CPU速度的要求仍比较高,但低于DNS方法。目前,在工作站和高档PC机上已经可以展开LES工作,FLUENT等商用软件也提供了LES模块供用户选择。LES方法是目前CFD研究和应用的热点之一。
N—S方程的非线性使得用解析的方法精确描写三维时间相关的全部细节非常困难,即使真正得到这些细节,对于解决实际问题也没太大意义。这是因为,从工程应用的观点看,重要的是湍流所引起的平均流场的变化,是整体效果。所以,人们很自然地想到求解时均化的N.S方程,而将瞬态的脉动量通过某种模型在时均化的方程中体现出来,由此产生了雷诺时均方程法(Reynolds—averaged Navier-stokes,简称RANS)。它是将非稳态的N—S控制方程组作时间平均运算,湍流的各种瞬时量被表示成时均值和脉动值之和,在所得的时均方程中会出现脉动值的时均值这一类新未知量,从而使方程组不封闭。要使方程组封闭,必须作出一些假设,即建立模型,把未知的更高阶的时间平均值表示成较低阶的在计算中可以确定的量的函数。
由上可见,引入Boussinesq假定以后,计算湍流流动的关键就在于如何确定涡粘性系数胁。依据确定涡粘性系数,的微分方程的数量的多少,湍流粘性系数法又可以分为零方程模型、一方程模型、两方程模型等。
目前两方程模型在工程中使用最为广泛,最基本的两方程模型是标准缸s模型和标准的k-co模型,即分别引入关于湍动能k和耗散率£的方程。此外,还有各种改进的模型A和改进的模型B,比较著名的是RNGk-e模型,Realizablek-e模型和剪切压力传输(SST)模型B。这几种模型的差别主要在于涡粘性系数、湍流动能普朗特数的计算方法,湍流动能耗散率方程的产生项和消失项以及近壁处理上。

其中,RNG K-e模型和Realizable K-e模型在对浮力流、强旋流、近壁流等明显各向异性流动的模拟中具有一定的优越性。但在一般的应用中,差别不大明显。标准k-w模型是为考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播而修改了Wilcox k-09模型,可预测自由剪切流传播速率,像尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射,可以应用于壁面流动和自由剪切流动。
几种模型中,StandardK-e两方程模型需要最少的CPU时间,具有普遍的适用性,复杂性适度,自它问世以来被广泛应用于各种实际工程流动计算中,在胶水泵机械内部湍流流动模拟中获得了合理准确的计算结剥;RNGK-e模型在定常状态下可能会出现数值不稳定的现象;RealizableK-e模型在模拟单旋转区域的流动中可以获得满意的结果,但在采用多参考系模型同时模拟旋转区域和静止区域的流动时,会产生人工粘性。
2.胶水泵内流场湍流模型对应的输运方程
2.1RNGk-e模型的输运方程
在RNG k-e湍流模型中,通过大尺度运动和修正后的粘度体现小尺度的影响,而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除,得到的k方程和£方程,与标准加湍流模型非常相似。
与标准—硅吨模型相比,RNG模型的主要变化是:
(1)通过修正湍流粘度,考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况。
模型中产生项就不仅与流动情况有关,而且在同一问题中也还是空间坐标的函数。
2.2Realizable  k-e模型的方程
2.3标准k-w模型的输运方程
对于涉及到旋转、逆压梯度下的边界层、分/离流、二次Y流及S回流等问题,此模型比另外的模型得到更优的结果;对于流动中包括大流线曲率、旋涡及旋转的现象时,此模型>和RNG模型都比在标准模型获得的结果有了本质的提高。


////////////////////////////////////////////////////////////
力华转子泵网www.lihuabengye.com
电话:0575-83539901
传真:0575-83534469


友情链接:    杏彩   57157彩票平台   万兴彩票   彩乐乐开奖网   万兴彩票