流体机械旋转湍流计算模型研究进展

流体机械旋转湍流计算模型研究进展

刘杨

身份证号： 13020219840120****

摘要：旋转湍流是经常会见到流动现象，不论在风力机中还是压缩机中，都是非常常见的。旋转湍流有许多突出性特点，比如结构明显，平面突出等，目前有很多计算旋转湍流的方法，但是每一种方法都有优势也有弊端，始终没有一种通用的计算模型。因此，本文阐述了湍流计算方法分类、雷诺时均模拟方法、尺度解析模拟方法、转捩模型以及局部时均化模型，对流体机械旋转湍流计算模型进行简单的分析和探讨。

关键词：流体机械；旋转湍流；计算模型

前言

流体机械旋转湍流计算模型种类较多，各自有优势也有弊端，因此在实际的操作中，应该根据实际情况选择最为合适的流体机械旋转湍流计算模型。通过精准的计算，能够获得流畅速度、压力、温度等多种物理量的信息，只有充分掌握这些信息，才能最大化的优化水利设计，推动我国水利工程的开展和实施。

1. 湍流计算方法分类

1. 湍流的特点

从物理学角度上来说，湍流是一种不规则的流动现象，由于流动受到主流和压力的影响，因此具有一定的扩散性和不稳定性。在物理学上，湍流是由不同大小的漩涡组合而成的流动，漩涡的大小主要根据外界因素而决定。大漩涡破裂后会形成小漩涡，小漩涡破裂后会形成更小的漩涡。大漩涡能够从主流获得能量，并且将一部分能量传递给小漩涡，小漩涡受到物理作用，漩涡不断消失，逐渐成为主流的一部分。与此同时，受到主流的影响和边界的作用，主流会生成新的漩涡，因此湍流运动能够长久延续下去^【1】。

2. 湍流计算方法

湍流的计算方法有三种，分别是雷诺时均模拟、尺度解析模拟和直接数值模拟。其中，雷诺时均模拟计算方法指的是，对流场物理量进行平均化处理，然后得出时均化控制方程，这种方法需要掌握的数据较多，但是计算精准度也能够得到保障。尺度解析模拟计算方法指的是，直接对流场的某一部分进行求解，其余部分全部通过数学模型来计算，这对计算能力的要求较高，且具有较强的单一性。直接数值模拟计算方法指的是，用瞬态方程对湍流进行计算，与前两种计算方式相比，直接数值模拟计算方法更加精准，因此被广泛应用到湍流计算中。

2. 雷诺时均模拟方法

雷诺时均模拟方法的关键是体现出瞬态脉动量的描述，由于雷诺应力的数学模型并不完全相同，因此会出现涡粘模型和雷诺应力模型。涡粘模型首先引入湍动粘度，然后根据假定把雷诺应力表示成函数，最终求出相应的方程。雷诺应力模型是指针对雷诺应力张量的所有分量构造附加输运方程，然后联立求解时均化的ＲＡＮＳ方程、新建立的附加输运方程及关于耗散率ε或比耗散率ω的附加尺度确定方程。以上两种方法主要根据雷诺应力的数学模型进行选择。

3. 尺度解析模拟方法

典型的ＳＲＳ方法包括大涡模拟、尺度自适应模拟、分离涡模拟和嵌入式大涡模拟等。大涡模拟适用于求解瞬态流动时，它会对瞬态方程进行滤波处理，在此过程中把小尺度的漩涡过滤出去，因此计算出大漩涡的方程。尺度自适应模拟是在非稳态ＲＡＮＳ基础上延伸出来的新模型，能够对流场稳定和不稳定的区域进行同时求解。分离涡模拟是将上述两种方法有效结合到一起，因此又称为混合方法，这种方法的成本属于中等。嵌入式大涡模拟能够很好地解决高雷诺数时近壁区网格细密、计算量大的问题，在某种程度上是ＬＥＳ的升级版^【2】。

4. 转捩模型

在实际的流动中，经常会遇到转捩现象，这就要求我们考虑转捩模型。近年来，基于ＲＡＮＳ方法的转捩模型开始得到较广泛应用，其中一种是γ-Ｒｅ_θｔ模型，另一种是低雷诺数转捩模型。γ-Ｒｅ_θｔ模型是应用最广泛的转捩模型，具有很强的应用性和灵活性。低雷诺数转捩模型也被称为层流动能模型，能够分解成受壁面限制的大尺度部分和不受壁面限制的小尺度部分。

五、局部时均化模型

局部时均化模型是近几年湍流求解的产物，它通过控制未分解湍动能和总湍动能的比率和未分解耗散和总耗散的比率，对方程进行修正。虽然局部时均化模型还没有得到广泛应用，但是它具有极强的针对性和应用性，因此能够成功解决湍流计算问题，并且有较好的发展前景。对于局部时均化模型来说，在低雷诺数流动中求解耗散尺度至关重要，然而流体机械这种高雷诺数流动中，能量运输和耗散尺度有明显分离，小耗散尺度几乎不被求解，所以ｆε经常取１。现如今，由于局部时均化模型的特性，局部时均化模型主要应用于突然变大的管道的计算。

结语

综上所述，能够看出湍流的计算方式非常多，具体的模拟方式也各有不同，具体如何应用还是应该结合实际情况作出选择，充分提高计算的准确性。需要相关人员注意的是，只有把理论和实践充分结合到一起，并且在不断的尝试中总结计算方法和计算经验，才能不断提高计算的有效性，切实对流体机械旋转湍流计算模型进行深度研究。

参考文献：

【1】郇钰莹.旋转流体机械中滚动轴承故障识别的研究[D].浙江理工大学，2020.

【2】王福军.流体机械旋转湍流计算模型研究进展[J].农业机械学报，2016，47(02)：1-14.