Fluent湍流模型全解析：选择与应用技巧

这周太忙了，没有学习做新算例。

每周一篇的文章不能断

于是决定写一下关于fluent的湍流模型，我自己的一些理解。

我们在做CFD 计算时，首先需要判断流动是层流还是湍流。一般通过预估雷诺数 来进行判断。

其中，ρ为流体的密度，单位为kg/m3；U为流体的流动速度，m/s； L为特征尺寸，m；μ为流体的动力粘度Pas。

但是对于不同的流动状态，判断层流还是湍流的标准会存在较大的差异。

如沿壁面的外流场的计算，我们通常认为Re>500000才是湍流；而圆管的内流场计算，Re>2300就认为是湍流；甚至，对于滑阀口的流动，Re>100就已经达到湍流状态了。

若在进行计算前无法预估雷诺数，则可以先用层流模型先试算一下，Fluent 也可以输出雷诺数，对于湍流效应较强的计算，层流模型可能较难收敛，这样就可以切换湍流模型进行计算了。

为什么需要湍流模型？

在工程应用中，由于湍流的生产效率高，大部分的流动都是湍流。

湍流是一个非常随机的，瞬时的流动状态，每时每刻的流速和流动方向都会变化。

湍流的能量耗散过程就是由大涡分离成很多小涡，对于尺度非常小的小涡会产生能量的耗散，将动能转换为内能。

想精准的模拟湍流流动的话，需要的计算量非常非常的多，耗时也会非常非常长。工程应用中，我们通常是关注的是一段时间内流体的平均流动状态，因此，在工程计算中采用时均化的方式来得到时均解。

如果我们记录湍流流动中某一点的流速变化，如下图中棕色曲线，瞬时的速度是不停的变化的，但是在一段时间内，平均速度是不变的，我们认为它是稳态的湍流流动。

这个速度波动呢，如果采用直接求解的方式计算量同样很大，因此就需要用各种各样的计算方法来修正这个速度的波动，来近似的求解流场。

还有一些物理量是没办法通过计算求解到的，比如小涡耗散掉的能量是多少(就是我们说的耗散率dissipation rate，ε)，是通过一些实验啊，经验公式推导出来的。

这就是各种湍流模型的由来。

这是我自己的简化理解方法哈，和你们分享。其实理解的深入一些还有很多东西，后面等我理解得更多了，再分享给大家。

最准确的湍流模型就是没有湍流模型

可能一开始在做CFD的计算时，我们总是追求计算的准确性，总想找到最准确的湍流模型来做计算

但是所有的湍流模型都是为了工程计算的效率而开发出的近似模型，只要用了湍流模型，就不可能百分之百的精确模拟出实际的流动。

我们能做的就是选择最合适的湍流模型。

如何选择湍流模型？

选择湍流模型主要考虑两个方面：计算成本和适用领域

越精确的湍流模型一定是计算成本越高的，我们需要根据我们的应用领域来选择成本更低的，又能满足我们的计算要求的湍流模型。

下图是Fluent中各种湍流模型的计算成本排序。

各个湍流模型的适用场合如下图，我的ANSYS 培训教程是英文的，我本打算翻译一下贴出来。但是我突然间发现我在网上找到了中文版。

关于湍流模型选择的一点小建议：

1. 如果你的流道有拐弯，建议使用Realizable-K-epsilon 或SST k-omega模型
2. 对于关注壁面上的传热细节或是壁面的分离流动的，强烈建议用SST k-omega
3. 如果一般的流动，在进行粗略的湍流计算时，可以先用标准的KE先跑一跑看，因为这个是最好收敛的一个模型。