Моделирование турбулентных течений. Белов И.А - 62 стр.

UptoLike

Составители: 

62
ной единице на верхней границе пограничного слоя и стремиться к нулю при при-
ближении к стенке. Сшивка предполагается в области следа пограничного слоя.
Второй важный шаг, сделанный Ментером, состоял в видоизменении стандарт-
ной связи между
k, ω
и турбулентной вязкостью
÷
t
. В эту связь был введен специ-
альный ограничитель (MSST), обеспечивающий переход от нее к известной формуле
Бредшоу (смотри Бредшоу-Ферриса-Атвелла), согласно которой турбулентное на-
пряжение трения пропорционально кинетической энергии турбулентности
u
0
i
u
0
j
=0
.
31
k.
Этот прием, получивший название SST (shear stress transport), в
дальнейшем с успехом применялся и в других моделях турбулентности с двумя
уравнениями, например, в модели Чена (1997).
Базовая модель.
Вводя полную производную, как
D/Dt
=
/
t
+
u
j
/
x
j
, запишем ориги-
нальную
k
à
ω
-модель
Dt
k
=
ü
ij
x
j
u
ö
i
-
ì
ã
úωk
+
x
j
[(
ö
+
û
k
1
ö
t
x
j
k
)]
, (6.35)
Dt
ω
=
÷
t
í
1
ü
ij
x
j
u
ö
i
-
ì
1
úω
2
+
x
j
[(
ö
+
û
ω
1
ö
t
x
j
ω
)]
, (6.36)
трансформированная
k
à
ε
- модель:
Dt
Dúk
=
ü
ij
x
j
u
ö
i
-
ì
ã
úωk
+
x
j
[(
ö
+
û
k
2
ö
t
x
j
k
)]
, (6.37)
Dt
ω
=
÷
t
í
2
ü
ij
x
j
u
ö
i
-
ì
2
úω
2
+
x
j
[(
ö
+
û
ω
2
ö
t
x
j
ω
)]
+ 2
úû
ω
2
ω
1
x
j
k
x
j
ω
.
(6.38)
Уравнения (6.35) и (6.36) умножаются на
F
1
, а (6.37) и (6.38) – на
(1
à
F
1
)
, и соот-
ветствующие уравнения складываются. В результате получается система исходных
уравнений модели Ментера:
Dt
Dúk
=
ü
ij
x
j
u
ö
i
-
ì
ã
úωk
+
x
j
[(
ö
+
û
k
ö
t
x
j
k
)], (6.39)
Dt
ω
=
÷
t
í
ü
ij
x
j
u
ö
i
-
ì
úω
2
+
x
j
[(
ö
+
û
ω
ö
t
x
j
ω
)]+2
(1
à
1
)
úû
ω
2
ω
1
x
j
k
x
j
ω
.
(6.40)
Обозначая обобщенным параметром
þ
1
набор констант оригинальной модели
k
à
ω
с индексами 1 и соответственно
þ
2
аналогичный набор констант трансфор-
мированной модели
k
à
ε
с индексами 2, имеем в уравнениях (6.39) и (6.40):
þ
=
F
1
þ
1
+(1
à
F
2
)
þ
2
. (6.41)
Используется следующая система констант
1 - Вилкокс (1988):
û
k
1
= 0.5;
û
ω
1
= 0.5;
ì
1
=0.0750;
ì
ã
= 0.09;
ô
= 0.41;
í
1
=
ì
1
/
ì
ã
-
û
ω
1
ô
2
ã
.
(6.42)
2 - стандартная
k
à
ε
:
û
k
2
= 1.0;
û
ω
2
= 0.856;
ì
2
=0.0828;
ì
ã
= 0.09;
ô
= 0.41;
í
2
=
ì
2
/
ì
ã
-
û
ω
2
ô
2
ã
.
(6.43)
Система (1) калибрована по пристеночным течениям, а система (2) обладает
высокой приемлемостью для свободных сдвиговых слоев.
Модель замыкается выражением для вихревой вязкости:
÷
t
=
ö
t
=
k/ ω
, (6.44)
а составляющие тензора рейнольдсовых напряжений
                                                                                               62

ной единице на верхней границе пограничного слоя и стремиться к нулю при при-
ближении к стенке. Сшивка предполагается в области следа пограничного слоя.
   Второй важный шаг, сделанный Ментером, состоял в видоизменении стандарт-
ной связи между k, ω и турбулентной вязкостью ÷ t . В эту связь был введен специ-
альный ограничитель (MSST), обеспечивающий переход от нее к известной формуле
Бредшоу (смотри Бредшоу-Ферриса-Атвелла), согласно которой турбулентное на-
пряжение трения пропорционально кинетической энергии турбулентности
u 0iu 0j = 0.31k.      Этот прием, получивший название SST (shear stress transport), в
дальнейшем с успехом применялся и в других моделях турбулентности с двумя
уравнениями, например, в модели Чена (1997).

Базовая модель.
   Вводя полную производную, как             D/Dt = ∂/∂t + u j∂/∂x j ,        запишем ориги-
нальную k à ω -модель
Dúk         ∂u
             öi       ã           ∂                   ∂k
 Dt  = ü ij ∂x j -  ì   úωk   + ∂x j
                                     [(ö   + û k1 ö t      )]
                                                      ∂x j ,                          (6.35)
Dúω    í1      ∂uöi           2      ∂                    ∂ω
 Dt  = ÷t
          ü ij ∂x j - ì  1 úω   +  ∂x j
                                        [(ö  + û ω1 ö  t     )]
                                                         ∂x j ,                       (6.36)
трансформированная k à ε - модель:
D úk        ∂u
             öi                  ∂                   ∂k
     = ü ij ∂x - ì ãúωk + ∂x [(ö + û k2 ö t ∂x )] ,                                   (6.37)
 Dt            j                   j                     j

Dúω
Dt  =
      í2
      ÷t
         ü ij
              ∂u
               öi
              ∂x j -
                       ì2úω2 + ∂x∂ j[(ö + ûω2 ö t∂x
                                                 ∂ω
                                                    j
                                                      )] + 2 úû ω 2   1 ∂k ∂ω
                                                                      ω ∂x j ∂x j
                                                                                  .   (6.38)
Уравнения (6.35) и (6.36) умножаются на F 1 , а (6.37) и (6.38) – на (1 à F1 ) , и соот-
ветствующие уравнения складываются. В результате получается система исходных
уравнений модели Ментера:
D úk        ∂u
             ö
Dt
     =   ü ij ∂x ij - ì ãúωk + ∂x∂ j[(ö + û k ö t∂x
                                                 ∂k
                                                    j
                                                      )] ,                            (6.39)

D úω
Dt
       í      ∂u
               öi
     = ÷ ü ij ∂x -
        t        j
                       ìúω2 + ∂x∂ j[(ö + û ωö t∂x
                                               ∂ω
                                                  j
                                                    )] +2 (1 à F 1) úû ω 2     1 ∂k ∂ω
                                                                               ω ∂x j ∂x j
                                                                                           .
                                                                                      (6.40)
Обозначая обобщенным параметром þ 1 набор констант оригинальной модели
k à ω с индексами 1 и соответственно þ 2 аналогичный набор констант трансфор-
мированной модели k à ε с индексами 2, имеем в уравнениях (6.39) и (6.40):
         þ = F 1þ 1 + (1 à F 2)þ 2 .                                                  (6.41)
Используется следующая система констант
     1 - Вилкокс (1988):                                                             √
û k 1 = 0.5; ûω 1 = 0.5; ì 1 =0.0750; ì ã = 0.09; ô = 0.41; í 1 = ì 1/ì ã - û ω 1ô 2/ ì ã.
                                                                                      (6.42)
     2 - стандартная k à ε :                                                           √
û k 2 = 1.0; ûω 2 = 0.856; ì2 =0.0828; ì ã = 0.09; ô = 0.41; í 2 = ì 2/ì ã - û ω 2ô 2/ ì ã.
                                                                                      (6.43)
     Система (1) калибрована по пристеночным течениям, а система (2) обладает
высокой приемлемостью для свободных сдвиговых слоев.
     Модель замыкается выражением для вихревой вязкости:
      ÷ t = ö t/ú = k/ω ,                                                             (6.44)
а составляющие тензора рейнольдсовых напряжений