湍流知识1

湍流模型的选择

1 湍流简介

湍流出现在速度变动的地方。这种波动使得流体介质之间相互交换动量、能量和浓度变

化，而且引起了数量的波动。由于这种波动是小尺度且是高频率的，所以在实际工程计算中

直接模拟的话对计算机的要求会很高。实际上瞬时控制方程可能在时间上、空间上是均匀的，

或者可以人为的改变尺度，这样修改后的方程耗费较少的计算机。但是，修改后的方程可能

包含有我们所不知的变量，湍流模型需要用已知变量来确定这些变量。

2 选择一个湍流模型

不幸的是没有一个湍流模型对于所有的问题是通用的。选择模型时主要依靠以下几点：

流体是否可压、建立特殊的可行的问题、精度的要求、计算机的能力、时间的限制。为了选

择最好的模型，你需要了解不同条件的适用范围和限制

这一章的目的是给出在FLUENT中湍流模型的总的情况。我们将讨论单个模型对cpu

和内存的要求。同时陈述一下一种模型对那些特定问题最适用，给出一般的指导方针以便对

于你需要的给出湍流模型。

3 构建湍流模型——标准k-e模型

最简单的完整湍流模型是两个方程的模型，要解两个变量，速度和长度尺度。在FLUENT

中，标准k-e模型自从被Launder and Spalding提出之后，就变成工程流场计算中主要的工

具了。适用范围广、经济、合理的精度，这就是为什么它在工业流场和热交换模拟中有如此

广泛的应用了。它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。

由于人们已经知道了k-e模型适用的范围，因此人们对它加以改造，出现了RNG k-e

模型和带旋流修正k-e模型。

（附上：

3.1 RNG k-e模型

RNG -模型来源于严格的统计技术。它和标准-模型很相似，但是有以下改进：

keke

 RNG模型在e方程中加了一个条件，有效的改善了精度。

 考虑到了湍流漩涡，提高了在这方面的精度。

 RNG理论为湍流Prandtl数提供了一个解析公式，然而标准k-e模型使用的是用户

提供的常数。

 然而标准k-e模型是一种高雷诺数的模型，RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流

动粘性的解析公式。这些公式的效用依靠正确的对待近壁区域；

这些特点使得RNG k-e模型比标准k-e模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。

3.2 带旋流修正k-e模型

带旋流修正的 k-e模型是近期才出现的，比起标准k-e模型来有两个主要的不同点：带

旋流修正的 k-e模型为湍流粘性增加了一个公式。为耗散率增加了新的传输方程，这个方程

1

来源于一个为层流速度波动而作的精确方程术语“realizable”，意味着模型要确保在雷诺压

力中要有数学约束，湍流的连续性。带旋流修正的 k-e模型直接的好处是对于平板和圆柱射

流的发散比率的更精确的预测。而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离

和二次流有很好的表现。

带旋流修正的 k-e模型和RNG k-e模型都显现出比标准k-e模型在强流线弯曲、漩涡和旋转

有更好的表现。由于带旋流修正的 k-e模型是新出现的模型，所以现在还没有确凿的证据表

明它比RNG k-e模型有更好的表现。但是最初的研究表明带旋流修正的 k-e模型在所有k-e模型

中流动分离和复杂二次流有很好的作用。

带旋流修正的 k-e模型的一个不足是在主要计算旋转和静态流动区域时不能提供自然

的湍流粘度。这是因为带旋流修正的 k-e模型在定义湍流粘度时考虑了平均旋度的影响。这

种额外的旋转影响已经在单一旋转参考系中得到证实，而且表现要好于标准k-e模型。由于

这些修改，把它应用于多重参考系统中需要注意。）

4 k-e模型的具体展开

标准 k-e 模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率。k方程是个精确方程，

e方程是个由经验公式导出的方程。k-e 模型假定流场完全是湍流，分之之间的粘性可以忽

略。标准 k-e 模型因而只对完全是湍流的流场有效。

4.1 标准 k-e 模型的方程

湍流动能方程k，和扩散方程e：

方程中Gk表示由层流速度梯度而产生的湍流动能，计算方法在，下文中有介绍，YM由于在

可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动，，C1，C2，C3，是常量，σk和σe是k方程和e方程

的湍流Prandtl数，Sk和Se是用户定义的。

4.2 湍流速度模型

湍流速度u由下式确定

t

Cu是常量

模型常量

这些常量是从试验中得来的，包括空气、水的基本湍流。他们已经发现了怎样很好的处

理墙壁束缚和自由剪切流。

虽然这些常量对于大多数情况是适用的，你还是可以在粘性模型面板中来改变它们。

k-e模型中的模型湍流产生

在G项中，表现了湍流动能的产生，是按照标准，RNG，带旋流修正k-e模型而做的，从

k

精确的k方程这项可以定义为：

为了评估G和Boussinesq假设

k

S是系数，定义为

 k-e模型中湍流浮力的影响k-e模型

当重力和温度要出现在模拟中，FLUENT中k-e模型在k方程中考虑到了浮力的影响，相应

2

的也在e方程中考虑了。

浮力由下式给出：

这里Prt是湍流能量普朗特数，g是重力在i方向上的分量。对于标准和带旋流修正k-e模

i

型，Prt的默认值是0.85。在RNG模型，里Pr＝1/a，这里a是由方程10.4-9确定的，但

t

是a＝1/Pr＝k/uc。热膨胀系数，β，定义为：

0p

对于理想气体方程10.4-23减为

从k方程中可以看出湍流动能趋向增长在不稳定层中。对于稳定层，浮力倾向与抑制湍

流。在FLUENT中，当你包括了重力和温度时，浮力的影响总会被包括。当然浮力对于k的影

响相对来讲比较清楚，而对e方程就不是十分清楚了。

然而你可以包含浮力对e方程的影响，在粘性模型面板中。因此在方程10.4-25中给定的

Gb的值用在e方程中。

E方程受浮力影响的程度取决与常数C3e，由下式计算：

这里v是流体平行与重力的速度分量，u是垂直于重力的分量。这样的话，C3e将会是1，

对于速度方向和重力相同的层流。对于浮力应力层它是垂直重力速度，C3e将会变成零。

4.3 k－e模型中可压缩性的影响

对于高Mach数流可压缩性通过扩张扩散影响湍流，这往往被不可压缩流忽略。对于可压

缩流，忽略扩张扩散的影响是的预测观察增加Mach数时扩散速度的减少和其他的自由剪切层

失败的原因。在FLUENT中，为了考虑这对k－e模型的影响扩张扩散项，YM被写进了k方程。

这项是由Sarkar提出：

这里Mt是湍流Mach数：

这里a是声速。

这种可压缩性的修正总是起作用理想气体的压缩形式被使用时。

4.4 在k－e模型中证明热和物质交换模型。

在FLUENT中，湍流的热交换使用一种叫做雷诺模拟的方法来比作湍流动量交换。修改后

的能量方程为：

这里E时总能，k是热传导系数，（T）是deviatoric压力张量：

effijeff

含有（Tij）eff项表明粘性热量，总是要联立方程求解。在单个方程中计算不了，但可

以通过粘性模型面板来激活。

增加的项可能出现在能量方程中，这取决于你所用的物理模型。想知道细节可以看

这里a由方程10.4-9算出，a＝1/Pr＝k/uc。

0p

实际上a随着umol/ueff_而变就像在方程10.4-9中，这是RNG模型的优点。这和试验相吻

合：湍流能量普朗特数随着分子Prandtl数和湍流变化。方程10.4-9的有效范围很广，从分

子Prandtl数在液体的10-2到石蜡的103，这样使得热传导可以在低雷诺数中计算。方程

10.4-9平稳的预测了有效的湍流能量普朗特数，从粘性占主要地位的区域的a＝1/Pr到完全

湍流区域的a＝1.393。

3

对于湍流物质交换同样对待，对于标准和带旋流修正k－e模型，默认的Schmidt数是0.7。

可以在粘性模型面板中改变。对于RNG模型，有效的湍流物质交换扩散率用一种热交换的计

算方法计算。方程10.4-9的a0＝1/Sc，这里Sc是molecular数。

4.5 受壁面限制的湍流流动的近壁面处的处理方法

湍流流动受壁面的影响很大，很明显，平均流动区域将由于壁面不光滑而受到影响。当

然，湍流还受到壁面其他的一些影响。在离壁面很近的地方，粘性力将抑制流体切线方向速

度的变化，而且流体运动受壁面阻碍从而抑制了正常的波动。

但近壁面的外部区域，湍流动能受平均流速的影响而增大，湍流运动加剧。

模型，RSM模型。LES模型都仅适用于湍流核心区域（一般都远离壁面），应该考虑

怎样使这些模型适用于壁面边界层处的流动。如果近壁面的网格划分足够好，

Spalart-Allmaras和模型可以用来解决边界层的流动。

无数试验表明，近壁面区域可以分成三层区域，在最里层，又叫粘性力层，流动区域很

薄，在这个区域里，粘性力在动量，热量及质量交换中都起主导作用，处于这两层中间的区

域，粘性力作用于湍流作用相当，图10.8－1清楚地显示了这三层的流动情况（用半对数坐

标）。

壁面方程和近壁面模型

通常，有两种方法为近壁面区域建模，其中一种方法并不能解决受粘性力影响的区域（粘

性力层及过渡层），可采用被称为“壁面方程”的半经验公式来解决，壁面方程的运用能够

很好地修正湍流模型，从而解决壁面的存在对流动的影响。

在另一种方法中。湍流模型被修正，从而使壁面处受粘性力影响的区域也能用网格划分

来解决，这种方式被成为“近壁面模型”法，下用图进行这两种方法的对比。

对于大多数高雷诺数的流动，壁面方程法能充分节省计算资源，因为在近壁面粘性力影

响区域，由于变量的变化太快，不需要解决，这种方法经济，实用而且很精确，很受欢迎，

对于这种工业上的流动模拟，这是一个很好的方法。

然而壁面方程法运用在低雷诺数流动区域却并不理想，其所依赖的壁面方程的假设不再

成立，在这种情况下，需要用“近壁面模型”来解决粘性力影响区域的流动。

FLUENT同时提供了以上两种方法。

壁面方程组包括半经验公式和近壁面处网格的参数与壁面定性参数的方程，它包括：

 壁面处的平均速度及温度规律

 近壁面处的湍流定性公式

FLUENT提供了两种壁面方程：

 标准壁面函数

 不平衡的壁面函数

FLUENT中的标准壁面方程组建立在Launder和Spalading的假设上，并被广泛用于工业上

4

的流动。

在平均流速区域，其方程为：

其中：

K＝（＝0.42）

E=经验常数（=9.81）

=P点的流体的平均流速

＝P点的湍流动能

＝P点到壁面的距离

＝流动的动力粘性系数

当大于30到60之间时，上面的对数法则有效，在FLUENT中，取值为>11.225,当壁

面相邻的网格单元<11.225 时，FLUENT将采用薄壁面应力－张力模型，其形式为：

的基础上，而不是注意，在FLUENT中，平均流速及温度的壁面法则是建立在壁面单元

。这些定性参数在平衡的湍流边界层内近似相等。

动量及能量方程的雷诺相似使得它们的平均温度的对数法则也相似，在FLUENT中，壁面

的温度法则包括以下两条：

 对热传导层采用线性法则

 湍流占主导的湍流区域采用对数法则

热传导层的厚度与速度边界层的厚度不同，并且随流体的改变而改变，例如，高普朗特

数的流体温度边界层的厚度比其速度边界层薄很多，而对于低普朗特数的流体则刚好相反。

由于粘性力消耗散热不同，高可压缩性流体在近壁面处的温度分布明显不同于亚音速的

流体，在FLUENT中，温度壁面方程包含了粘性力消耗散热项。

FLUENT中的壁面法则方程为：

其中P用Jayatilleke给的公式计算：

＝流体的热传导率

＝流体的密度

＝流体的热容

＝热流量

5

＝近壁面网格的温度

＝壁面的温度

＝分子普朗特数

＝湍流普朗特数

＝26（Van Driest常数）

k＝0.4187(常数)

E＝9.793(壁面方程常数)

＝处的平均速度

注意，如果分开计算，则

和

这两项仅在计算可压缩流体时才在方程，在公式，无空间方向性的热边界层厚度的

计算与一样，如果给出了流体模型的分子普朗特数，则可考虑用线性法则和对数法则来

求解

用壁面温度法则分析的过程如下：一旦要计算的流体的物性参数给出，则可以算出它的

分子普朗特数，然后由线性法则和对数法则用分子普朗特数计算热边界层厚度并保存结

果。

用壁面网格单元的值，由方程

当用不同种类流体传输的壁面方程时，FLUENT认为它们的热传递是相似的，不同种类流

体的壁面法则可表达为一下的常用的流动方程（不含流动扩散项）：

其中为实际流体的质量数。和分别为分子和湍流施密特数，为壁面处第

和i种流体的扩散量。注意计算类似于P和，不同之处在于把普朗特数换成施密特

数进行计算。

在模型及RSM模型中，K方程在整个流动区域，包括壁面附近区域都适用。

K在壁面处的边界条件为：

其中n为壁面处的坐标。

在壁面附近处的流体动能和它的发散率的计算建立在此处的平衡假设上，该假设

认为：k的产生及其发散率等于壁面附近的控制容积。

因此，k的计算公式为：

的计算公式为：

注意，包括平均流速，温度，k和等几个壁面边界条件的参数，壁面方程组都考虑到

了，所以不用担心壁面边界条件的适用性。

6

FLUENT首选标准壁面方程组，它能很好的计算出以壁面为边界的流动情况。但是，当流

体流动分离太大。以致于远远偏离了理想条件时，就不太适用了，在其他情况下，剪切应力

及平衡假设大大限制了壁面方程的通用性。

相应的，当近壁面流动处于高压之下时，当流动处于不平衡状态时，这些假设就不在成

立了。

作为标准壁面方程的补充，FLUENT提供了基于两层理论的不平衡壁面方程，其方程的关

键为：

 Launder和Spalding的对数法则由压力的影响进行修正

 采用两层理论来计算湍流壁面附近单元的动能

壁面温度法则等其他方程保持不变

由压力修正的平均流速对数法则为：

其中：

为物理粘性层厚度，计算公式为：

其中＝11.225.

不平衡方程采用两层理论来计算湍流壁面附近单元的湍流动能，从而解决了壁面附近单

元的k方程的求解。壁面附近单元包含了粘性流动层和湍流层，下面给出了湍流定性参数的

假设条件：

34

其中，为粘性底层的空间厚度，见式（10.8-13）。

CkC

lu

y

v

利用这些断面，就可以从邻近边界的单元格的和的体平均数中计算出的单元平

G

k



k

均的产出量和单元平均扩散率。对于四边形、六面体网格，其体平均可近似地用深度

G

k



平均来表示：

和

其中是单元格的高度（）。对于其他形状的网格（例如：三角形、四面体网格），

y

n

y2y

nP

使用适当的体平均数。

在式（10.8-15）和（10.8-16）中，靠近边界的单元格的湍流动态能量预算对粘性底层

与完全湍流层之间的比例是十分敏感的，而其在非平衡流中单元之间又有着很大的变动。这

有效地放宽了局部平衡假定（产出量 = 耗散量）——被标准墙函数用来计算靠近边界单元

格的湍流动态能量预算。因此，非平衡墙函数可在一定程度上解释为忽视了非平衡影响后的

标准壁面函数。

标准壁面函数与非平衡壁面函数

由于有了对压力梯度和偏移平衡点进行部分说明的能力，非平衡壁面函数被推荐使用在

包含脱流、回流和冲击的复杂流动当中，在这种流动中，中间流动和湍流有着很大的压力梯

度并且快速地变化。这种流动可以获得很好的改进，尤其是在对壁面的修剪（表面摩擦系数）

7

和热传导（纳塞特或斯坦顿数）的预算方面。

壁面函数方法的局限性

标准的壁面函数能够为大多数高雷诺数的边界限制流提供合理、精确的预测。而非平衡

壁面函数主要是在有大的压力梯度或是不平衡程度很高时被使用。然而，当流动条件与基本

的墙函数的理想条件相差太大时，墙函数方法将不可靠。例如：

 雷诺数较低或有近壁面影响（例如：通过一条小裂缝或者粘性很大得流动，低速率

流）

 沿壁面有大量的耗散

 巨大的压力梯度导致边界层分离

 受到强大的强迫力（例如：旋转盘附近的流动，浮力流）

 在靠近壁面区域流动具有高的三维特性（例如：Ekman螺旋流动，强烈扭曲的三

维边界层）

如果以上任意一条是你所建流动模型的主要特征，为了你的模拟的成功，捕获那些特征

是十分重要的，你必须在使用近壁面模型方法的同时，在靠近壁面的区域内要有足够的网格

的分辨率。FLUENT为这些情况提供了增强的壁面处理。这个方法在模型和雷诺应力模

k



型中得以使用。

4.6 增强壁面处理

增强壁面处理是一种近壁面模型方法，它通过增强壁面函数结合了一个双层模型。如果



y1

）靠近壁面的网格足够好，能够解决薄片状的亚表层（典型情况，那么这里的增强壁

面处理就等同与传统的双层带状模型（详情下面有介绍）。然而，为了使得靠近壁面的网格

足够好，势必会大大地增加运算量。因此，人们想有一种理想的近壁面的公式表达，使其对

粗劣的网格（通常被作为壁面函数网格）和对优质的网格（低雷诺数网格）一样适用。另外，

对于那些近壁面单元格质心位于全湍流区域的中间网格，很精细将不会引发额外的错误，但

是太粗劣的话，就不能很好地解析亚表层。

为了达到采用近壁面模型方法的目的，将要为细近壁面网格保证标准双层模型方法的精

确度，同时，不会较大地减小对壁面函数网格地精确度。FLUENT能够将双层模型和增强壁面

函数相结合，如下一节所述。

增强壁面函数的双层模型

在FLUENT的近壁面模型中，有粘性影响的近壁面区域总是完全地当作粘性亚表层来解

决。双层模型方法是增强壁面处理的一个不可缺少的部分，它被用来指定和近壁面单元格



的湍流的粘性。此方法中，整个区域被分为一个有粘性影响的区域和一个完全湍流区域。这

两个区域的划分由以下几个因素决定：壁面距离，湍流雷诺数，。其中被定义为

8

ReRe

yy

Re

y



yk

（10.8-17）



这里的是表示从壁面到单元格中心的垂直距离。在FLUENT中，表示的是离最近的壁面

yy

的距离：

yminrr

w

（10.8-18）

r

ww

其中，是区域内点的位置矢量，是在壁面边界上的位置矢量，是所有壁面边界的集

r

r

w



w

合。这种表示方法可以在复杂形状的多壁面流动区域中给一个唯一的定义。而且，这样定

y

义的不受网格布局的约束，并且对非结构化网格也适用。

y

在完全湍流区()，将使用模型或雷诺应力模型（见10.4

节和10.6节）。

在有粘性影响的近壁面区域（），使用Wolfstein[269]的one-equation模型。

**

ReRe;Re200

yyy

k



ReRe

yy

*

在one-equation模型中，如10.4节和10.6节所述，保留了动量方程和方程。只是，湍流粘

k

性，，改由下式计算



t



t,2layer

Clk



（10.8-19）

其中[34]

lyc1e



l



Re/A

y



（10.8-20）

上面描述的湍流粘性的双层模型公式被用作增强壁面处理一部分，这里的双层模型定义

很好结合了Jongen[106]提出的从外部区域引入的高雷诺数的定义：



t



t,enhtt,2layer

(1)



(10.8-21)



这里的是在10.4或10.6节中为模型或雷诺应力模型定义的高雷诺数。是一个

t

k





混合函数，它是这样定义的，当远离壁面时为1，接近壁面时为0。如下式：



ReRe

yy

*

1







1tanh







2A







之内，其结果为：

（10.8-22）

常数决定了改混合函数的宽度。通过定义这样一个宽度，的值将在变化量的

A





Re

y

1%

A

一般情况下，的赋值将在的到之间。引入的主要目的是为了防止当

Re

y

tanh(0.98)

（10.8-23）

Re

y

Re

*

y

5%20%





在外层的的解与双层模型公式不匹配时影响收敛。

k





由下式计算：

k

3/2

(10.8-24)





l



9

（10.8-24）式中的再一次由Chen和Patel[34]计算：

l



lyc1e



l

如果整个流动区域都处于粘性影响区域（），解移动方程时将不包含；只



Re/A

y



(10.8-25)

Re200

y



是通过式（10.8-24）代数地将其包含进来。为了确保内部区间代数描述和外部区间解位



移方程的包含的情况之间地平稳转换，FLUENT为描述使用了一个类似于混合的程序。







t

式（10.8-20）和(10.8-25)中常数的确定：

3/4

，，

A70



A2c



l

ckC

l



增强壁面函数

要想将它的应用范围拓展到贯穿近壁面区域（即，薄片状的亚表层，过渡区和完全湍流

区）需要对整个壁面区域将壁面规则拟定为一个单一的壁面规则。为此，FLUENT使用一

个由Kader[108]提出的函数将线性的（薄片状）和对数的（湍流）壁面规则结合起来：

1



ueueu

其中：



lamturb

（10.8-27）

a(y)

4

（10.8-28）





1by



E

cexp1.0



（10.8-29）



E



a0.01c

（10.8-30）

du



类似地，引出的综合方程为：



dy

1



dudu

turblam

du







（10.8-32）

ee

dydydy



这种方法使得完全湍流规则考虑一些其他地影响，如压力梯度或者是一些可变的性质，

从而变得容易修改和扩展。同时，这个规则也保证了大小值之间正确的渐进性质和壁面

y



缓冲区（）内下降处速度剖面的合理说明。

3y10y

通过平稳地结合增强湍流壁面规则和薄片状壁面规则，使增强壁面函数得到了进一步的

发展。通过结合White、Cristoph[266]和Huang et al. [95]等人地方法，已经得到了带有热

传导和压力梯度的可压缩流体的增强湍流壁面规则：

其中





1yyy





S









1yyy



ss

s

（10.8-34）

10





v

w

dpdp





w

u

*3

dxdx



2*

u



（10.8-35）



twtw

quq

*

（10.8-36）





cT

pww





cuT

pw

*



这里的是对数壁面规则的斜率保持不变的位置。默认时，。式（10.8-33）中的

yy60

ss

系数表征的是压力梯度的影响，而系数和表征的是热影响。式（10.8-33）是一个普







通地微分方程，FLUENT将为其提供一个适当的解析解。当，和均为0时，导出的是一







个典型的湍流对数壁面规则的解析解。

薄片状壁面规则由下面的表达式确定：



du

lam



（10.8-38）

1y





dy

注意到上面的表达式中，仅仅通过包含了压力梯度的影响，而忽略了由热传导和可压



缩性带来的一些可变特性的影响。这些影响被忽略的原因是当很靠近壁面时它们的影响是非

常小的。由（10.8-38）式微分方程可以得到：







uy1y

lam



（10.8-39）

2



增强热壁面函数针对剖面沿用了同样的方法。统一的壁面热量公式按照Kader[108]方法

u

将薄片状剖面和对数剖面融合在一起：



（10.8-40）

TeTeT

lamturb

1





其中

a(Pry)

4

（10.8-41）



1bPry

3

这里的是分子的普朗特数，系数和分别由式（10.8-30）和（10.8-31）确定。除了

Pr

a

b

上面的的公式以外，增强热壁面函数在其它方面和标准的热壁面函数（见，类壁面函数

T

也采用一个类似的过程。类壁面函数的详情见

湍流动能的边界条件和标准壁面函数（式10.8-8）的完全相同。只是湍流动能的产出

是利用与增强壁面规则（式10.8-27和10.8-32）相一致的速度梯度来计算，以确保贯穿近

壁面区域的公式的正确性。

5 湍流流动模拟中网格的探讨

成功的湍流流动计算在生成网格时必须要做一些考虑。由于湍流度（随空间变化的粘性）

在大多数的复杂湍流流动的平均动量和其他一些量的转化中起主导作用，你必须确定湍流度



11

的大小适合求解，是否需要更高的精度。由于平均流和湍流的剧烈的交互作用，使得湍流流

动的数值结果比薄片层流动的数值结果对网格的依赖更加敏感。因此，当你所要求解的区域

平均流动变化很快并且存在有大比率应变的剪切层时，建议使用足够好的网格。

*

y

y

你可以通过列出或者是点绘出，和的值来检查近壁面网格，这些值在处理过

Re

r

*

y

y

控制面板之后是可以得到的。应该记住，，和不是固定的几何大小。它们都是由

Re

r



yy

解决定的。例如，当你使网格数翻倍（壁面距离就减半）时，新的并不需要变成原来

的一半。对于近壁面区域的网格，要根据你所使用近壁面选项决定采用何种不同的策略。

5.1 壁面面函数的近壁面网格的指导方针

确定邻近壁面单元格到壁面的距离时，必须考虑到对数壁面规则的有效范围。这个距离

通常用壁面单位，（）或，来度量。注意，当第一个单元格位于对数层时，

y

*

uy/





y

y

*

和有同等的值。

y

 对数规则的有效范围是

y



在30到60之间。

 虽然当

y



11.225

时，FLUENT采用的是线性（薄片状）规则，但是应该避免在壁

面附近采用很好的网格，因为壁面函数在粘性的亚表层将不再有效。

 对数层的上边界依赖于压力梯度和雷诺数。当雷诺数增加时，上边界也趋向于上浮。



y



值太大是不理想的，因为这样会使对数层上面的尾流部分变得很大。

yy30



的值在接近下边界（）时是最好的。

 应当避免在壁面的法线方向使用过分的拉伸。

 在边界层内至少要有一定量的网格。

5.2 增强壁面处理的近壁面网格的指导方针

虽然增强壁面处理是用来拓展在粘性亚表层之外的近壁面模型的有效性，但是仍然建议

你构造一个完全求解有粘性影响的近壁面区域的网格。在这种情况下，增强壁面处理的双层



y

部分将占主导地位，以下为推荐的网格必备条件（注意，这里的网格必备条件是依据，

*



y

而不是）：当增强壁面处理被用来求解薄片状的亚表层时，邻近壁面的单元格的应该

y

取为1。然而，当其充分地在粘性亚表层时，可以取更高的值（小于4到5）。为了能

yy



够求解这个区域内地平均速度和湍流度，你应当在有粘性影响地近壁面区域（）

Re200

y

内至少有10个单元格。

5.3 模型的近壁面网格的指导方针

k



k



模型无论是作为低雷诺数模型还是作为高雷诺数模型都是有效的。在FLUENT中，

如果选中Viscous Model面板中的Transitional Flows选项，那么使用的是低雷诺数变量，

那样的话，网格的指导方针就和增强壁面函数的完全一样。如果没有选中该选项，网格指导

方针就和壁面函数的一样。

5.4 湍流流动的问题的设置工作

当你的FLUENT模型包含有湍流时，你需要激活相应模型和选项，并且提供湍流的边界

条件。在这一节里将对这些输入进行描述。

一个湍流流动问题的设置过程描述如下。（注意：这里描述的过程仅仅包括对湍流模型

12

本身的一些必要步骤；你还需要照常设置一些其他模型，边界条件等等）激活湍流模型，在

Viscous Model面板的Model框中选择一种模型（见表

Define ModelViscous…

如果你选的是k-epsilon模型，就在k-epsilon Model选项框中的Standard，RNG，

Realizable三个选项中选择一个。如果你选的是k-omega模型，就在k-omega Model选项

框中的Standard，SST两个选项中选择一个。

大漩涡模型（LES）仅对三维有效。

1. 如果流动包括壁面，而你又使用的是一种模型或是雷诺应力模型（RSM）的

k



话，须从Viscous Model面板的Near-Wall Treatment框下面的三个选项中选一个：

 Standard Wall Functions

 Non-Equilibrium Wall Functions

 Enhanced Wall Treatment

这些近壁面选项在10.8节中有详细的描述。默认时，选择的是Standard Wall

Functions（标准壁面函数）。

对于Spalart-Allmaras，和LES模型的近壁面处理是自动进行定义的，详情

k



参见10.3.6，

2. 激活Viscous Model面板中适当的湍流模型选项。详情参见

3. 为求解变量指定边界条件。

Define Boundary Conditions…

详见

4. 为求解变量的初始化。

Solve Initialize Initialize…

详见，雷诺应力利用自动初始化，因此不需要我们再初始化。

k

5.5 定义湍流边界条件

kk



模型和模型



当你在FLUENT中，使用一个模型或一个模型，模拟湍流流动时，除了其

kk





他的一些普通的求解变量之外，你还必须为和（或和）提供边界条件。在壁面的

kkk





和的边界条件是由FLUENT内部维护的，不需要用户输入。你必须提供给FLUENT的和



k

。在许多情（或和）的边界条件的输入是在入口的边界（进口速度，进口压力等等）



k



况下，指定正确的或者逼真的进口边界条件是很重要的，因为进口的湍流能极大地影响下游

的流动。

有关指定和（或和）进口边界条件的详情参见

kk





你可以通过选择壁面边界将壁面地粗糙度考虑进来。在这种情况下，你能够在面板中为

相应的壁面边界指定粗糙度参数（粗糙度最值和粗糙度常数）。（参见

5.6 和（或和）的初始化

kk





对了使用某种模型或是某种模型或是雷诺应力模型的流体，其收敛解或是

kk





13

（对不稳定计算的）花了足够长时间后的解应该和和（或和）的初始值无关。然而，

kk





为了更好的收敛，给和（或和）一个合理的初始值是有益的。

kk





一般而言，推荐从湍流的充分发展状态开始计算。当你为模型或是雷诺应力模型

k



采用了增强壁面处理时，指定充分发展的湍流区显得尤为重要。这里给出下列指导方针。

 如果能够在进口处指定合理的边界条件，那么可以通过这些边界值来计算整个区域内

的和（或和）的初始值。

kk





 对于更多的复杂流动（例如，有多个不同条件的进口的流动），根据湍流强度来指定

初始值可能更好一些。表征充分发展的湍流5-10%已经足够了。然后，可以通过湍流

强度和你的问题中特有的平均速度大小来计算出（）。

k

k1.5(Iu)

avg

2

应该为指定一个初始预测值，以使得作为涡流粘性（）的结果与分子粘性相



Ck/



2



比是足够的大。在充分发展的湍流中，湍流粘性大概比分子粘性大两个数量级。根据这个，

可以计算。注意，对于雷诺应力模型，雷诺应力利用10.10-1和10.10-2式自动初始化。



5.7 湍流流动模拟的求解策略

与薄片状流动相比，湍流流动模拟在很多方面更加复杂。对于平均雷诺数方法，要为湍

流量求解额外的方程。一旦平均数量和湍流量（、、、和雷诺应力）的方程被结



t

k





合成一个高度非线性型，获得湍流的收敛解要比获得薄片状流动的收敛解付出更多的计算

量。LES模型，当具体到一个对亚网格比例粘性的代数模型时，需要一个在高质量网格下的

瞬时解。

湍流流动的结果的逼真度在很大程度上取决于采用的湍流模型。这里给出一些指导，使

你能够提高你湍流流动模拟的质量。

5.7.1 网格的生成

当你为你的湍流流动模拟生成网格时务必遵循以下建议：

 考虑一个相似流动状态的任何资料或利用你本身的直觉，将流动描绘在你的脑子里，

确定你想要模拟的流体中所期望的主要流动特征。生成一个能求解所期望的主要特征

的网格

 如果流动是有壁面边界的，壁面会极大的影响流动，在生成网格时要格外小心。应该

避免使用太好（对壁面函数方法）或太粗劣（对增强函数处理方法）的网格。详情参

见10.9节。

5.7.2 精度

下面给出的建议有助于你的结果获得更好的精度：

 选择使用对流动中你所期望看到的突出特性更适合的湍流模型（见10.2节）。

 因为湍流流动中的平均数量与薄片状流动相比有更大的梯度，推荐为对流项使用高阶

方案。如果你采用三角形或四面体网格，这一点显得尤为正确。注意，过多的数字扩

散会影响解的精度，即使采用最精细的湍流模型。

 在一些含有进口边界的流动状态中，进口的下游流动受进口处的边界条件支配。在这

种情况下，应当注意确信指定适度的实际边界值。

5.7.3 收敛性

14

下面给出的建议有助于提高湍流流动计算的收敛性：

 如果使用过分粗劣的初始值开始计算，可能导致解的发散。有一个保险的方法，就是

采用保守的（小的）松弛因子和（对于耦合求解）一个保守的Courant数开始计算，

然后，随着迭代的进行和解的稳定再逐渐地增大它们的值。

 用合理的和（或和）的初始值开始计算也有助于更快的收敛。尤其当使用增

kk





强壁面处理时，从一个充分发展的湍流域开始计算是很重要的，正如在，要避免用额

外的迭代去发展湍流域。

 在使用RNG模型时，有一个可以得到更好的收敛的方法，就是在转变成

k



RNG模型以前采用标准的模型进行求解。由于在RNG模型中附加

kkk





的非线性，可能需要更低的松弛因子和（对耦合求解）更低的Courant数。

注意，当使用增强壁面处理时，在计算过程中你可能有时候会发现的误差被报告为0。



当你的流体在整个流动区域内的少于200，并且是通过代数公式（式10.8-24）而不是

Re

y

利用迁移方程来得到时，将会发生这种情况。



5.8 湍流流动的后处理

FLUENT为陈列、绘制和报告各种各样的湍流量（包括主要的求解变量和其他一些辅助

量）提供了后处理功能。

k



模型可以被报告的湍流量如下：

 湍流的动能（k）

 湍流强度

 湍流耗散率（Epsilon）

 湍流动能的产出

 湍流粘性

 有效粘性

 湍流粘性比

 有影响的热传导

 有效的普朗特数

 Wall Yplus

 Wall Ystar

5.8.1 湍流的自定义域函数

除了上面所列出的量以外，你还可以利用Custom Field Function Calculator面板定义你

自己的湍流量。

Define Custom Field Functions…

下列函数可能是有用的：

 湍流能量的产出与耗散之比（

G

k

/



）

 平均流与湍流时间尺度之比（）



Sk/



 由Boussinesq公式都到的雷诺应力（例如：

uvv

t

u

）

y

15

5.8.2 发现并解决故障

进行后处理不仅仅是为了说明结果，还可以调查在解中可能出现的任何异常。例如，可

以通过描绘的等高线来检查是否存在某个区域的错误地偏大或偏小。可以列出湍流粘性

kk

比，看看湍流是否完全生效。对于利用RANS方法（也就是说，不是使用LES模型）构造的完

全发展的湍流流动模型，通常湍流粘性至少要比分子粘性大两个数量级。还可以看出你为增

强壁面处理使用的近壁面网格是否合适。在这种情况下，你可以将（湍流雷诺数）的

Re

y

等高线覆盖到网格上显示出来。

16