1、直接数值模拟
采用三维非稳态的Navier-Stokes方程对湍流进行直接数值模拟计算,通常构成流场的方程加上其他的方程如气体状态方程、温度与能量关联方程等,其构成的方程组是封闭的。理论上讲,封闭的方程组可以通过数学方法直接求解。但是由于目前的计算机还远远不能满足较复杂湍流的直接求解,其计算时间、数据存储容量以及求解速度都达不到要求。因为湍流运动中包含不同尺度的涡,计算区域应容纳最大尺寸的涡,而进行计算的网格和时间步长必须小到可以分辨最小尺寸的涡。
2、大祸模拟
大涡模拟的基本思想是认为湍流由大小不同的涡组成的,认为对于不同的涡其特征也不相同。大尺度的涡包含湍流的主要部分能量,其特点随流动的情形而异,大尺度的涡通过相互作用把能量传递给小尺度的涡。对于小尺度的涡,其主要作用是将能量传递给更小尺度的涡,最终通过耗散的方式将能量转为热能。了解了不同尺度的涡的特点之后,人们把湍流运动通过滤波的手段分成大尺度运动和小尺度运动,大尺度涡的数值模拟通过求解运动微分方程组直接计算,小尺度涡对大涡的影响则通过应力项加入到微分方程组中,称之为亚格子雷诺应力,目前主要通过特定的模型进行计算。
LES方法相比于直接模拟的手段,其对计算机的软硬件要求有所降低,甚至可以在PC上进行小规模的研宄工作,因此近些年来LES趋势有所增加,但对于解决复杂的工程问题仍然不适用。
3、雷诺时均N-S方程
对非稳态控制方程作时间平均,所得时均控制方程的未知量中包含脉动量的高阶乘积时均值,相当于方程数量小于未知量个数。在此情况下,不能通过进一步时均处理将方程组封闭。人们采取假设的手段,假设某两个未知量之间存在什么关系,从而制造方程使整个方程组封闭,这就是现在的湍流模型,当然这种假设是建立在大量的实验数据基础上,通过数学手段进行拟合的。目前工程湍流计算的主要手段就是采用不同的湍流模型,将更高阶未知变量的时均值表示成低阶计算中可确定量的函数,达到节约计算成本,提高计算速度的目的,广一泵采用的计算方法就是这种。
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