6.2.2.7 Рекомендации по моделированию турбулентности

– Пользователь должен помнить, что нет универсальной общей модели турбулентности, которая хорошо работает для всех классов течений. Всегда необходима проверка и калибровка модели.

– Если возможно, пользователь должен проверить чувствительность результата к смене используемой модели турбулентности.

– Важность моделирования турбулентности в CFDстановится преобладающей, когда остальные источники ошибок, особенно вычислительные ошибки и ошибки сходимости отсутствуют или четко контролируются. Очевидно, пока не известна ошибка дискретизации, нельзя дать надлежащую численную оценку достоинств различных моделей турбулентности, поэтому изучение влияния густоты сетки является неотъемлемой частью любого расчета турбулентного течения.

6.3 Недостатки стандартной k-модели

Несмотря на огромное разнообразие доступных моделей турбулентности, стандартная k-модель с функцией стенки, созданная Лаундером и Сполдингом [1974] остается рабочей лошадкой в промышленных вычислениях. Поэтому ниже перечислены основные недостатки, присущие этой модели при решении практических задач и, где возможно, указаны компромиссные решения, которые могут быть полезны. Рекомендации по обходу или устранению недостатков взяты из имеющейся литературы и не должны рассматриваться как гарантированные решения. Описания коммерческих и академических кодов также могут быть полезны в этом вопросе. Кроме того, большинство коммерческих кодов содержат альтернативы стандартнойk-модели. Предлагаемые ниже меры, связанные с модификацией и настройкой параметров стандартнойk-модели предназначены для смягчения её недостатков в специфическом конкретном случае, и в общем случае могут не дать пользы и даже привести к осложнениям.

6.3.1 Руководство по недостаткам стандартной k-модели

– Турбулентная кинетическая энергия предсказывается завышенной в области, где происходит столкновение потока со стенкой (impingement) или переприсоединения, что ведет к плохому предсказанию характеристик течения при обтекании передних кромок и неудобообтекаемых тел. Kato и Launder [1993] предложили модификацию уравнения переноса для для решения этой проблемы.

– Занижается размер области с рециркуляцией в течениях с закруткой. Чтобы этого избежать, нужно использовать модель напряжений Рейнольдса (RSM).

– В общем случае плохо рассчитывается сильно закрученное течение из-за сложности поля деформаций. В этом случае нужно использовать RSMили нелинейную модель с вихревой вязкостью.

– Плохо предсказывается перемешивание в течениях, где сильны эффекты плавучести и искривления потока. В этом случае необходимо использовать модель рейнольдсовых напряжений.

– Плохо предсказывается отрыв потока под действием неблагоприятного градиента давления. В действительности отрыв происходит раньше, чем предсказывает расчет. Часто лучшие результаты дает модель Baldwin-Lomax с одним уравнением [1978]. Также хорошие результаты дает k-wSSTмодель Ментера (Menter [1993, 1996]).

– Восстановление потока после переприсоединения предсказывается плохо. Избегайте использования функций стенки в таких местах!

– Неправильно рассчитывается коэффициент расширения следа и круглой струи. Для этого лучше использовать нелинейные варианты k-модели.

– Вторичные течения, порождаемые турбулентностью в прямых каналах некруглого поперечного сечения вообще не предсказываются! В этом случае используютRSMили нелинейную модель с вихревой вязкостью.

– Ламинарные или переходные области течения не могут быть моделированы с помощью стандартной k-модели. Это область активных исследований в последнее время. Нет другого простого практического решения, кроме как включения и выключения модели турбулентности в соответствующих местах с помощью пользовательских подпрограмм.