几种典型流动的湍流模型适用性分析

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在流场模拟计算中,湍流模型的选取是一项重要且困难的工作。目前湍流模型的选择性研究工作一般只专注于特定的应用对象,由此得到的模型准确性仅对该对象适用;另一方面,模型选择不仅应关注模拟值与实验值的差异,不同模型之间的计算差异同样值得关注。本文针对柴油机各系统的流动特征,将其简化为圆形射流、圆柱尾迹流、槽道流、后台阶流和90°方形截面弯管流,以实验或DNS结果为基准,对比不同模型计算结果的差异,得到适用性更广的湍流模型适用性结论,为湍流模型选择和应用提供参考。与湍流研究不同,工程应用中人们更关心流场平均性质(时均量)和模拟计算效率。在本文研究中,对比了不同流动的时均量和脉动量预测结果,给出工程应用条件下的模型适用情况,取得的研究结论如下:(1)对于圆形射流,SKE与LPS模型的时均量计算结果精度相当,LPS模型的脉动量预测结果精度更高,但计算量较高。对于工程应用,SKE模型较适合圆形射流模拟。对于RANS方法,方程扩散项对模型预测精度有较大影响,扩散系数的大小需要慎重考虑。(2)对于圆柱尾迹流,SL、DSL、TKE和WALE四种亚格子模型的时均统计量预测精度基本相同,均与Parnaudeau等人的实验结果存在较大的误差,但与Lourenco等人的实验结果比较相符。因此,数值模拟的准确度也无法由实验确定,仍需进一步的研究。(3)对于槽道流,SKW和RSM-w模型的时均量计算结果与DNS结果比较相符,脉动量计算结果均与DNS结果存在较大差异,但RSM-w模型在一定程度上可以预测近壁面区域的各向异性。无论对于工程应用还是湍流研究,RANS低雷诺数模型方法中的SKW模型更适合槽道流。要提高脉动量模拟精度,需要更先进的湍流模型方法。(4)后台阶流动和90°方形截面弯管流动本质上均为分离流,具有一定的相似性。对于分离流动,BSL和SST模型的时均量预测精度与RSM相当,RSM-BSL模型脉动量结果精度更高,但这对时均量预测精度的影响很小,而计算量显著提高;另一方面,在网格分辨率足够高的情况下,SKW模型对近壁面的模拟能力优于双层壁面模型,BSL和SST模型既能发挥SKW模型在近壁面的优势,同时能保留SKE模型在远离壁面区域的高扩散作用,提高其预测能力。对于仅关注时均量的工程问题来说,BSL模型和SST模型更适合该类流动。
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