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Ansys Fluent文档—理论篇:湍流模型(十)—Generalized k-ω(GEKO)模型

Ansys Fluent文档—理论篇:湍流模型(十)—Generalized k-ω(GEKO)模型

5. Generalized k-ωGEKO)模型

RANS概念框架内,无法通过单一模型以足够精度覆盖所有流动现象。因此工业CFD代码必须提供多种湍流模型,使用户能根据具体应用选择最佳模型。然而这并非最优策略,因为并非所有模型都具有同等质量(包括稳定性、与其他模型的互操作性、近壁处理等方面)。切换不同模型除了会带来预期的求解结果变化外,还会产生额外影响。另一种替代方案是提供具备足够灵活性的单一模型,以覆盖广泛的应用场景。

GEKO模型的目标是将双方程模型整合为这样一种公式。该模型提供了可自由调整的参数,以适应特定类型的应用,同时不会对模型的基本校准产生负面影响。这与经典模型不同,在经典模型中,虽然提供了模型系数,但这些系数几乎无法更改,因为它们本质上是相互关联的,任何更改通常都会导致像平板边界层这类最基本流动的校准失效。

5.1模型构建

GEKO模型目前尚未公开发布。该模型基于k-ω公式构建,具有四个可调节系数,这些系数可在给定限制范围内进行调整优化,且不会对零压力梯度壁面边界层以及通道和管道流动的基础校准产生负面影响。这些系数包括:

CSEP优化光滑表面流动分离的参数。

0.7<CSEP<2.5(默认值CSEP=1.75);

增加CSEP会导致更早、更强烈的分离;

CSEP=1模仿标准k−ε模型,CSEP=1.75在性能接近SST模型。

CNW用于优化近壁非平衡区域流动的参数(如传热或Cf)。

-2<CNW<2(默认值CNW= 0.5);

增加CNW会导致再附着位置(例如后向台阶情况)的传热速率提高;

CNW主要用于调整冲击区内有热传导的流动。它具有非常强大的默认值,除非有详细的实验数据,否则通常不应更改。

CMIX用于优化自由剪切流中混合强度的参数。

0<<1(默认-相关性));

从其默认值增加CMIX将导致自由剪切流(混合层)中的混合增强。相关性CMixCor确保对于CSEP的变化,经典的混合层扩展率得以保持。然而,CMIX也可以赋予相关值以外的其他值。

CJET用于优化自由剪切层混合的参数(独立于混合层优化自由射流)。

0<CJET<1(默认值CJET=0.9);

增大CMIX值会同时提高自由射流的扩散速率。这可能不符合需求,因此CJET参数允许减弱CMIX对自由射流的影响。CJET参数仅在CMIX非零时生效,可降低自由射流的扩散速率;

仅少数应用场景需要调整此参数。CJET参数是CMIX的一个子模型——这意味着当CMIX=0时,该参数也不会生效。

还可以选择使用曲率修正参数Ccurv来调整模型,该参数也适用于其他模型。

存在一些特别值得关注的参数组合。当CSEP=1CMIX=0CNW=1时,该模型可精确转换为标准的k−ε模型(同时具备k−ε模型的改进近壁处理方式)。需要注意的是CMIX=0CJET不相关。

CSEP=1.75CMIX=0.3CNW=0.5CJET=0.9的默认值给出了SST模型的近似解(尤其在分离行为而非公式形式方面)。对于自由剪切流,该组合优于SST模型。它在混合层中产生相似的扩散率,但对圆形射流具有改进的扩散效果。

默认情况下,GEKO模型配备了可实现性限制器,确保整个域中的正法向应力:

涉及CMIXCJET的函数由混合函数FBlend控制,该函数在边界层内(FBlend=1)停用这些参数。对于自由流动,FBlend=0

该函数需要壁面距离,在某些情况下(如移动几何体或变化网格的流动)计算成本较高。对于此类应用,可通过启用“无壁面距离”模式运行模型。在此模式下,参数CMIXCJET将被停用,同时FBlend自动设置为1。为保持自由混合层的扩展率,使用无壁面距离选项时应选择k−ε模型变体(CSEP=1CMIX=0CNW=1)。但也可采用更激进的分离预测设置(CSEP>1),这会导致自由剪切流的扩展率降低。需注意其他模型(例如转捩模型、混合RANS-LES模型)也可能需要壁面距离。若选择“无壁面距离”选项,则所有其他使用壁面距离的模型选项将变为不可用。若先在湍流对话框中选择需要壁面距离的子模型,则“无壁面距离”选项将自动禁用。

CSEPCNWCMIXFBlend也可以指定为表达式或通过UDF定义。

除了四个自由系数和FBlend外,还有四个辅助参数可供使用,通过修改这些参数的常数值可以进一步微调模型行为。大多数用户无需修改这些系数的默认值:

CNW_SUB:允许调整对数层和Cf(默认值为1.7)。

CJET_AUX:允许微调参数以优化自由射流(默认值为2.0)。数值越高,CJET的影响效果越显著。

CBF_TUR:主屏蔽功能因子FBlend(默认值为2.0)。减小该值将减薄近壁面层的厚度,该区域中CMIXCJET将被停用。这将导致CMIXCJET公式在更靠近壁面的位置被激活。

CBF_LAM:仅当启用了间歇性转换模型时,此选项才处于活动状态。该系数是FBlend的一部分,用于屏蔽层流边界层(默认值为25.0)。此参数提供额外的屏蔽保护边界层免受层流区域中CMIXCJET的任何影响。该参数用于避免在GEKO模型与层流湍流转换模型结合时这些参数产生任何影响。设置较低的值将减少这种屏蔽作用。

5.2局限性

GEKO实现存在以下限制:

GEKO与多相流的结合尚未得到验证。然而,GEKO模型与现有的双方程模型并无根本性差异,因此不会出现模型特有的难题。

注意:湍流面板之外的所有可能组合尚未涵盖。在子模型(例如,在多相流中)需要壁面距离的情况下,建议避免使用湍流对话框中的无壁面距离选项。

参考资料:《Ansys Fluent Theory Guide》 2023R1

CFD理论基础合集(持续更新中):

Ansys Fluent帮助文档—理论篇:湍流模型(一)

Ansys Fluent帮助文档—理论篇:湍流模型(二)—Spalart-Allmaras 模型

Ansys Fluent帮助文档—理论篇:湍流模型(三)—标准k-ε模型

Ansys Fluent帮助文档—理论篇:湍流模型(四)—RNG k-ε模型

Ansys Fluent帮助文档—理论篇:湍流模型(五)—Realizable k-ε模型

Ansys Fluent帮助文档—理论篇:湍流模型(六)

Ansys Fluent帮助文档—理论篇:湍流模型(七)—Standard k-ω模型

Ansys Fluent帮助文档—理论篇:湍流模型(八)—BSL k-ω模型

Ansys Fluent帮助文档—理论篇:湍流模型(九)—SST k-ω模型

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