湍流模型和壁面函数对室内空气流动数值模拟的影响
发布时间：2020-12-03 00:43
以室内有隔板的低雷诺数空气流动模型的试验数据为依据,利用ANSYS Fluent软件,比较了4种湍流统计模型（标准k-ε模型、可实现k-ε模型、重整化群k-ε模型和SST k-ω模型）及4种壁面函数（标准壁面函数、可伸缩壁面函数、非平衡壁面函数和增强型壁面函数）对室内空气时均流场的预测能力.结果表明,重整化群k-ε模型的预测效果相对最佳,但4种湍流模型的预测能力差别不显著,预测值与试验值均吻合较好.对于中等疏密度网格,标准壁面函数对网格和流动的适应性最好,预测能力最佳,而其他3种壁面函数的处理能力一般.
【文章来源】：上海理工大学学报. 2017年01期 第81-85页 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１通风房间模型示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｖｉｅｗｏｆａｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｒｏｏｍｍｏｄｅｌ
ｕｎｃｔｉｏｎ能太小，否则会影响数值解的准确性．表２是３种模型在３种网格和标准壁面函数时的ｙ＋ｍａｘ（计算域中固壁面ｙ＋的最大值），因ＳＳＴｋ－ω模型没有壁面函数选用问题，因此，表２未给出该模型的ｙ＋．显然，３种网格不满足ｙ＋＞１５的要求，但若将壁面处网格继续增大，则计算收敛性变差，且从前文分析可知，３种网格的模拟值与试验值的吻合度均较好，因此，标准壁面函数对中等密度网格的适应性良好．图５是采用重整化群ｋ－ε模型和４种壁面函数时的模拟值比较．由图５可知，标准壁面函数、可伸缩壁面函数、非平衡壁面函数与增强型壁面函数的计算结果有较明显的差异．表２壁面第一层网格的无量纲距离Ｔａｂ．２Ｎｏｎ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｄｉｓｔａｎｃｅｎｅａｒｗａｌｌｆｏｒｔｈｅｆｉｒｓｔｌａｙｅｒｏｆｍｅｓｈ网格标准ｋ－ε模型可实现ｋ－ε模型重整化群ｋ－ε模型ｍｅｓｈ－１２．５＜１５．０＜９．８＜９．６ｍｅｓｈ－８＜１１．７＜８．１＜７．４ｍｅｓｈ－５＜８．０＜５．４＜５．４图５重整化群ｋ－ε模型和４种壁面函数模拟结果比较Ｆｉｇ．５ＶｅｌｏｃｉｔｙｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｍｏｎｇｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｂｙｔｈｅＲＮＧｋ－εｍｏｄｅｌａｎｄｆｏｕｒｗａｌｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓ文献［１２］建议在ｙ＋＜１１时采用可伸缩壁面函数，以避免标准壁面函数的模拟值因网格过密而可能偏离实际值．从表２可知，ｍｅｓｈ－５网格的ｙ＋满足可伸缩壁面函数的适用条件，该壁面函数对流动的
低速送风时，近壁面区的低雷诺数效应明显．因此，文献认为对近壁面区流动应直接计算，湍流模型也应采用ＬＥＳ（大涡模拟）法［２］，但该方法的计算成本相对较高．为明确各湍流模型的预测效果、壁面附近流动的处理以及网格要求，本文以机械通风模型的试验数据为依据［３］，采用ＡＮＳＹＳＦｌｕｅｎｔ软件，对几种常用的湍流统计模型和壁面函数的预测能力进行比较，为建筑通风问题的数值预测提供参考．１计算方法建筑通风模型取自试验研究［３］，如图１所示，房间模型内的隔板位于模型中间且高度为房间高度Ｈ的一半，气流由进口流入，出口流出，进、出口面的尺寸相同且位置关于隔板对称．模拟流动时，建筑内外无温差，控制方程为连续性方程、Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和湍流模型方程，方程具体形式可参见文献［１１］．坐标原点Ｏ位于房间左侧墙与地面交线的中点，沿房间长、宽和高的方向依次为ｘ，ｙ和ｚ轴．试验［３］给出了图１中Ｌ１（位于进口面中心且垂直该面的线段）和Ｌ２（位于房间对称面上且ｚ＝Ｈ／４的线段）处的ｚ向速度ｕｚ．为方便讨论，以隔板为界，将流域分为进口区域和出口区域，并将Ｌ２上靠近隔板右侧壁面附近区域定义为Ａ域，Ｌ２与Ｌ１的交点附近区域定义为Ｂ域，Ｌ２与模型右侧墙面相交的附近区域定义为Ｃ域．命名ｙ＝０的面为ｓｙｍ面，由于整个流动关于ｓｙｍ面对称，因此，计算域沿ｓｙｍ面取为模型的一半．进口处气流速度按试验取为０．２３５ｍ／ｓ［３］，
【参考文献】：
博士论文
[1]高温液态炉渣机械离心粒化机理及关键技术研究[D]. 王东.青岛理工大学 2018
硕士论文
[1]高寒环境下动车组制动盘温度场和热应力场分析[D]. 初明泽.大连交通大学 2019
[2]微型植物工厂隔热材料及微环境优化[D]. 徐超.江苏大学 2019
[3]双向内外管压差流量计自动建模仿真优化技术研究[D]. 樊宝桐.中北大学 2019
[4]六种低雷诺数k-ε模型对偏移射流及贴壁射流的数值模拟及对比分析[D]. 汤海锋.杭州电子科技大学 2019
[5]基于FLUENT的风机机组机舱内部散热与流场分析[D]. 王白月.沈阳工业大学 2018
[6]东北农业大学风环境模拟与景观改造[D]. 李彬洋.东北农业大学 2018
[7]三叉杆滑移式万向联轴器流固耦合及传热分析[D]. 孙琳琳.青岛科技大学 2018
[8]风载作用下大型钢结构吊装过程安全性分析[D]. 陈鹏.东南大学 2017
本文编号：2895711
【文章来源】：上海理工大学学报. 2017年01期 第81-85页 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１通风房间模型示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｖｉｅｗｏｆａｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｒｏｏｍｍｏｄｅｌ
ｕｎｃｔｉｏｎ能太小，否则会影响数值解的准确性．表２是３种模型在３种网格和标准壁面函数时的ｙ＋ｍａｘ（计算域中固壁面ｙ＋的最大值），因ＳＳＴｋ－ω模型没有壁面函数选用问题，因此，表２未给出该模型的ｙ＋．显然，３种网格不满足ｙ＋＞１５的要求，但若将壁面处网格继续增大，则计算收敛性变差，且从前文分析可知，３种网格的模拟值与试验值的吻合度均较好，因此，标准壁面函数对中等密度网格的适应性良好．图５是采用重整化群ｋ－ε模型和４种壁面函数时的模拟值比较．由图５可知，标准壁面函数、可伸缩壁面函数、非平衡壁面函数与增强型壁面函数的计算结果有较明显的差异．表２壁面第一层网格的无量纲距离Ｔａｂ．２Ｎｏｎ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｄｉｓｔａｎｃｅｎｅａｒｗａｌｌｆｏｒｔｈｅｆｉｒｓｔｌａｙｅｒｏｆｍｅｓｈ网格标准ｋ－ε模型可实现ｋ－ε模型重整化群ｋ－ε模型ｍｅｓｈ－１２．５＜１５．０＜９．８＜９．６ｍｅｓｈ－８＜１１．７＜８．１＜７．４ｍｅｓｈ－５＜８．０＜５．４＜５．４图５重整化群ｋ－ε模型和４种壁面函数模拟结果比较Ｆｉｇ．５ＶｅｌｏｃｉｔｙｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｍｏｎｇｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｂｙｔｈｅＲＮＧｋ－εｍｏｄｅｌａｎｄｆｏｕｒｗａｌｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓ文献［１２］建议在ｙ＋＜１１时采用可伸缩壁面函数，以避免标准壁面函数的模拟值因网格过密而可能偏离实际值．从表２可知，ｍｅｓｈ－５网格的ｙ＋满足可伸缩壁面函数的适用条件，该壁面函数对流动的
低速送风时，近壁面区的低雷诺数效应明显．因此，文献认为对近壁面区流动应直接计算，湍流模型也应采用ＬＥＳ（大涡模拟）法［２］，但该方法的计算成本相对较高．为明确各湍流模型的预测效果、壁面附近流动的处理以及网格要求，本文以机械通风模型的试验数据为依据［３］，采用ＡＮＳＹＳＦｌｕｅｎｔ软件，对几种常用的湍流统计模型和壁面函数的预测能力进行比较，为建筑通风问题的数值预测提供参考．１计算方法建筑通风模型取自试验研究［３］，如图１所示，房间模型内的隔板位于模型中间且高度为房间高度Ｈ的一半，气流由进口流入，出口流出，进、出口面的尺寸相同且位置关于隔板对称．模拟流动时，建筑内外无温差，控制方程为连续性方程、Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和湍流模型方程，方程具体形式可参见文献［１１］．坐标原点Ｏ位于房间左侧墙与地面交线的中点，沿房间长、宽和高的方向依次为ｘ，ｙ和ｚ轴．试验［３］给出了图１中Ｌ１（位于进口面中心且垂直该面的线段）和Ｌ２（位于房间对称面上且ｚ＝Ｈ／４的线段）处的ｚ向速度ｕｚ．为方便讨论，以隔板为界，将流域分为进口区域和出口区域，并将Ｌ２上靠近隔板右侧壁面附近区域定义为Ａ域，Ｌ２与Ｌ１的交点附近区域定义为Ｂ域，Ｌ２与模型右侧墙面相交的附近区域定义为Ｃ域．命名ｙ＝０的面为ｓｙｍ面，由于整个流动关于ｓｙｍ面对称，因此，计算域沿ｓｙｍ面取为模型的一半．进口处气流速度按试验取为０．２３５ｍ／ｓ［３］，
【参考文献】：
博士论文
[1]高温液态炉渣机械离心粒化机理及关键技术研究[D]. 王东.青岛理工大学 2018
硕士论文
[1]高寒环境下动车组制动盘温度场和热应力场分析[D]. 初明泽.大连交通大学 2019
[2]微型植物工厂隔热材料及微环境优化[D]. 徐超.江苏大学 2019
[3]双向内外管压差流量计自动建模仿真优化技术研究[D]. 樊宝桐.中北大学 2019
[4]六种低雷诺数k-ε模型对偏移射流及贴壁射流的数值模拟及对比分析[D]. 汤海锋.杭州电子科技大学 2019
[5]基于FLUENT的风机机组机舱内部散热与流场分析[D]. 王白月.沈阳工业大学 2018
[6]东北农业大学风环境模拟与景观改造[D]. 李彬洋.东北农业大学 2018
[7]三叉杆滑移式万向联轴器流固耦合及传热分析[D]. 孙琳琳.青岛科技大学 2018
[8]风载作用下大型钢结构吊装过程安全性分析[D]. 陈鹏.东南大学 2017
本文编号：2895711
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