【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型

注:以下内容来自 fluent theory guide。

Spalart-Allmaras模型是一个单方程模型,它求解了运动涡动(湍流)粘度的模型传输方程。Spalart-Allmaras模型是专门为涉及壁面有界流动的航空航天应用而设计的,并已被证明对承受逆压力梯度的边界层有很好的效果。它在叶轮机械的应用中也越来越受欢迎。

Spalart-Allmaras模型在其原始形式下是一个有效的低雷诺数模型,要求边界层粘滞影响区域得到适当的解析(y+~1)。ansys Fluent中,Spalart-Allmaras模型通过对y+不敏感的壁面处理,使得模型的应用与近壁y+分辨率无关。该方法可自动从粘性底层公式过渡到基于y+的对数公式。在中间网格(1 < y + < 30), 公式保持其完整性,并提供一致的壁面剪应力和传热系数。在去除敏感性的同时,仍需保证边界层的分辨率最小为10-15个单元。

Spalart-Allmaras模型是针对空气动力流动而建立的。它没有对一般的工业流动进行校准,并且对一些自由剪切流动,特别是平面和圆形射流,产生了相对较大的误差。此外,它也不能用来预测均匀各向同性湍流的衰减。


01— Spalart-Allmaras模型的输运方程


在Spalart-Allmaras模型中,除了近壁面(粘滞影响)区域外,输送变量ν ̅与湍流运动粘度相同。修正后的湍流粘度ν ̅的输运方程为

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图1

式中,G_v为湍流粘度的产生,Y_v为近壁面区域由于壁面堵塞和粘性阻尼而产生的湍流粘度的破坏。

σ_ν ̅ 和C_b2是常量,ν是分子运动粘度。S_ν ̅ 是用户定义的源项。注意,由于Spalart-Allmaras模型中没有计算湍流动能k,所以在估计雷诺应力时忽略了方程4-14(参见上一篇文章【湍流】fluent中湍流模型的基本原理(2))中的最后一项。


02— 湍流粘度模型

湍流粘度μ_t由下式计算:

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图2

其中粘性阻尼函数f_ν1为:

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图3

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图4


03— 湍流产生模型


产生项G_v为:

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图5

其中,

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图6

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图7

C_b1和k是常数,d是到壁面的距离,S是变形张量的标量度量。在ANSYS Fluent中,与Spalart和Allmaras提出的原始模型一样,S是基于涡量的大小:

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图8

其中Ω-ij是平均旋转速率张量,由

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图9

S的默认表达式的对于剪切流,涡量和应变率是相同的。在滞止线等无粘性流动区域,由于应变率引起的湍流生产可以是非物理的,涡度的优点是零。曾有人提出一种替代公式并将其引入ANSYS Fluent中。这一修正将涡量和应变张量的测量结合在了S的定义中:

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图10

其中,

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图11

平均应变速率S_ij,定义为

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图12

旋转张量和应变张量的增加都降低了涡流粘度的产生,并因此降低了涡流粘度本身在涡流量超过应变速率的区域中的产生。在旋涡流中可以找到这样的例子,即在纯旋转的涡旋中心附近的气流,湍流被抑制。

旋转和应变张量都能更准确地解释旋转对湍流的影响。默认的选择(只包括旋转张量)倾向于过度预测涡粘性的产生,因此过度预测涡粘性本身。


04— 湍流破坏模型



破坏项为

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图13

其中,

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图14

C_w1、C_w2和C_w3为常数,S ̃由式(4-20)给出. 注意,上面描述的包含平均应变对S的影响的修改也会影响用于计算r的S ̃的值。


05— 模型常数



【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图15


06— 边界条件


在ANSYS Fluent中对Spalart-Allmaras模型进行了扩展,采用y+不敏感壁处理,自动将所有解变量从其粘性底层公式

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图16

混合到相应的依赖于y+的对数层值。

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图17

u是平行于壁面的速度,μ_t摩擦速度,y是壁面的距离,k是=冯卡门常数(0.4187), E = 9.793。混合校对也包括中间的过度层 (1<y+<30)。


07— 对流传热传质模拟


在ansys Fluent中,利用雷诺模拟湍流动量传递的概念对湍流热输运进行了建模。能量方程“模型”如下:

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图18

在这种情况下,k是导热系数,E是总能量,(τ_ij )_eff是偏应力张量,定义为:

【湍流】fluent中的Spalart-Allmaras模型的图19


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