Overview of Turbulence Modeling.pdf

在流体力学中，湍流建模是模拟复杂流动现象的关键技术之一，特别是在工业和科研领域，例如航空航天、汽车设计、环境工程等。"Overview of Turbulence Modeling" 是一个关于高级湍流建模的培训文档，由Fluent Inc.提供，主要探讨了湍流的基本概念、尺度分析、Reynolds平均、壁面附近湍流处理以及不同湍流模型的比较。 湍流是一种不稳定的、无规则的流动状态，其中质量、动量和标量物种在时间和空间上呈现出波动。流体的性质表现出随机变化，通过统计平均可以揭示与湍流相关的可预测输运机制。湍流包含各种尺度的涡旋（eddies），从大到小，大的涡旋携带小的涡旋，形成能量级联的过程。 能量级联是湍流动力学的核心概念，其中较大的、能量较高的涡旋通过涡旋拉伸将能量传递给较小的涡旋。大涡旋从平均流中获取能量，其大小和速度与平均流相近。小涡旋则通过粘性耗散将动能转化为热能。这种能量的耗散速率取决于它们从级联开始时接收到较大涡旋能量的速度。 涡旋拉伸是能量传递的关键机制。涡旋线或涡旋束由于受到较大涡旋诱导的速度影响而发生扭曲，其端点随机分离导致涡旋线长度增加、直径减小，从而增加了vorticity（涡度）的强度。 Reynolds平均是湍流建模的基础，通过将Navier-Stokes方程进行时间平均，分离出平均流动和脉动流动两部分，形成雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程。这使得我们可以忽略微小尺度的湍流波动，只关注大尺度流动特征。 在壁面附近的湍流处理尤为重要，因为湍流边界层的行为直接影响流体与壁面的相互作用。为了简化计算，通常采用壁函数或壁面层模型来近似近壁区的湍流行为，如低雷诺数模型、Spalart-Allmaras模型或 shear-stress transport (SST) 模型。 文档中的“Examples”部分可能涉及实际问题的案例研究，对比实验数据和直接数值模拟（DNS）结果，以验证湍流模型的准确性和适用性。DNS是直接模拟所有尺度的湍流流动，而实验数据则提供了实际流动条件下的参考。 文档还可能涵盖了不同类型的湍流模型，如一阶矩模型（如k-ε模型）、二阶矩模型（如RSM）和大涡模拟（LES）。这些模型根据复杂程度和计算成本，适用于不同的工程应用。 "Overview of Turbulence Modeling" 是一个深入讨论湍流建模的教程，涵盖了从基本理论到具体模型应用的广泛内容，对于理解和掌握流体力学中的湍流现象至关重要。