1.3 FLUENT计算模型

1.3.1 湍流模型

FLUENT软件包含了工程上常用的多种湍流模型，包括1992年提出的一方程的S-A模型，双方程的k-ε模型，雷诺应力模型（RSM）和最新的大涡模拟（LES）、分离涡模拟（DES）等，而每一种模型又有若干子模型，以适应分析、转捩、旋流等不同具体工况。

其中，k-ε模型包括鲁棒性较好的Standard k-ε模型，适用于一般情况下的流场模拟；RNG k-ε模型，适用于复杂剪切流动、边界层分离等复杂流动情况下模拟；Realizable k-ε模型，适用于自由射流情况。

这三种湍流模型又分别包括三种壁面函数：标准壁面函数（应用最广泛，鲁棒性最好），非平衡壁面函数（适用于分离流，逆压梯度），双层区域壁面函数（将层流底层同湍流区分别进行计算，要求Y+≤1）。

对于强旋流存在情况，由于雷诺应力张量的各个分量呈明显的各向异性，因此需要采用雷诺应力湍流模型。常见的强旋流例子有旋转发动机、涡流阀发动机内流动等。

以上各种方法以湍流的统计结构为基础，对所有旋涡进行统计平均，求解雷诺平均N-S方程，反映的是湍流脉动的平均效应。采用直接求解大尺度湍流修正N-S方程的方法，能够详细求解流场的湍流脉动效应。

对于高雷诺数壁面边界流动，LES方法在解近壁面区域时比较耗费时间，因而可以采用DES，在近壁区域采用基于RANS的湍流模型，而在主流区采用LES模型，在保证一定精度条件下提高了计算效率。在高雷诺数外部流动方面，DES是LES的有效替代。

FLUENT 12版本借鉴了科学家Menter的最新研究成果，新增了三方程转捩k-kl-omega模型和四方程转捩SST模型。

转捩模型和常规二方程全湍流模型相比，可以更准确地模拟层流到湍流的过渡流动，对于进气道内部的复杂流动具有更强的计算能力。

图1-1显示了使用FLUENT计算平板边界层的转换，可以看到，与实验结果较符合。

从FLUENT 13开始，又加入了Menter最新的SAS模型，这是一种介于LES和传统的RANS之间的方法：在网格较少的情况下，其结果趋近于RANS的计算结果；在网格较多的情况下，其结果趋近于LES或DES的结果。图1-2、图1-3显示了LES模式和SAS模式计算方柱绕流的结果。

1.3.2 燃烧模型

实际中的燃烧过程是湍流和化学反应相互作用的结果，化学反应速率具有强烈的非线性，通常包含了几十种组分和几百个基元反应，而且组分之间的反应时间尺度相差很大。

FLUENT针对不同燃烧现象，采用了不同的化学动力学处理手段，建立了多种燃烧模型，适用于各种复杂情况下的燃烧问题。其中，图1-4所示是一个使用FLUENT计算燃烧室的典型结果。

1.有限速率模型

这种模型求解反应物和生成物输运组分方程，并由用户来定义化学反应机理，反应率作为源项包含在组分输运方程中，可通过阿累尼乌斯方程或涡耗散模型得到。有限速率模型适用于预混燃烧、局部预混燃烧和非预混燃烧。

在最新版本中，用户可以加入多达300种组分、1500个反应，大大加强了复杂化学反应的详细机理模拟。并且CHEMKIN格式的反应机理和热物理性质可以直接导入FLUENT中使用。

2.非预混燃烧模型

该模型不求解单个组分输运方程，通过求解混合组分分布得到组分浓度分布。在该模型中，用概率密度函数（PDF）来考虑湍流效应，不需要用户显式地定义反应机理，而是通过火焰面方法（即混即燃模型）或化学平衡计算来处理。该模型可以应用于燃料与氧化剂分别进入燃烧室的非预混燃烧情况。

3.预混燃烧模型

该模型专用于预混系统的燃烧反应。在此类问题中，充分混合的反应物和反应产物被火焰面隔开，通过求解反应过程变量来追踪火焰前沿轨迹（Zimont模型）。湍流效应可以通过层流和湍流火焰速度的关系来考虑。

4.PDF燃烧模型

该模型采用PDF输运方程模拟湍流火焰中的有限速率化学反应。由于PDF输运方程的维度非常高，而且不能用有限体积方法求解，因而在FLUENT中采用蒙特卡洛方法求解，为了提高计算效率采用了ISAT算法来加速反应表格的生成和数据查看。该模型可以用来模拟点火、熄火等瞬态条件下的详细化学反应。

5.表面化学反应模型

在某些情况下会遇到固体表面化学反应的情况，如液体氧化剂与固体燃料的表面反应。FLUENT表面反应模型可以用来分析气体和表面组分之间的化学反应及不同表面组分之间的化学反应，以确保表面沉积和烧蚀现象被准确预测。并且不同表面可以运用不同的表面反应机理，表面反应可以发生在壁面或者多孔介质上。

6.分散相燃烧模型

除了可以模拟各种气相燃烧问题以外，FLUENT还提供了模拟分散相燃烧问题（液体燃料燃烧、喷射燃烧、固体颗粒燃烧等）的燃烧模型，在拉格朗日坐标下，模拟分散相（包括固体颗粒/油滴/气泡等）在瞬态和稳态下的运动轨迹。该模型可以用于计算液体喷雾燃烧或者固体粒子燃烧。

1.3.3 辐射模型

FLUENT提供了多种对流、热传导及辐射模型来模拟流动和传热现象，可以求解强制/自然/混合对流、固体/流体耦合热传导及多种情况下的热辐射。

其中，热结构分析中通常会遇到的流固耦合传热在FLUENT中处理非常简便，Coupled方法使得用户不需要输入壁面对流换热系数、温度等参数就可以直接耦合求解得到流场、绝热层和壳体壁面的温度分布。

FLUENT提供了6种辐射模型供用户在不同情况下使用，P1和Rossland模型适用于介质光学厚度较大、存在粒子的环境；基于角系数的Surface to Surface模型适用于介质不参与辐射的情况；DO和DTRM模型适用于包括玻璃在内的任何介质，但是计算量较大；太阳辐射模型只需用户提供当地时间、经纬度及天气情况，就可自动得到当地太阳辐射量，可以模拟受太阳辐射的影响情况。

1.3.4 多相流模型

多相流混合物广泛应用于工业中，FLUENT软件是多相流建模方面的领导者，其丰富的模拟能力可以帮助工程师洞察设备内那些难以探测的现象，Eulerian多相流模型通过分别求解各相的流动方程的方法，分析相互渗透的各种流体或各相流体，对于颗粒相流体采用特殊的物理模型进行模拟。

很多情况下，占用资源较少的混合模型也用来模拟颗粒相与非颗粒相的混合。FLUENT可用来模拟三相混合流（液、颗粒、气），如泥浆气泡柱和喷淋床。可以模拟相间传热和相间传质的流动，使得对均相及非均相的模拟成为可能。

FLUENT标准模块中还包括许多其他的多相流模型，对于其他的一些多相流流动，如喷雾干燥器、煤粉高炉、液体燃料喷雾，可以使用离散相模型（DPM）。射入的粒子、泡沫及液滴与背景流之间进行热、质量及动量的交换。

VOF（Volume of Fluid）模型可以用于对界面的预测比较感兴趣的自由表面流动，如海浪。汽蚀模型已被证实可以很好地应用到水翼艇、泵及燃料喷雾器的模拟。沸腾现象可以很容易地通过用户自定义函数实现。某叶轮机械的算例结果如图1-5所示。