哪种湍流模型适用于流线型车身的CFD分析?


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对于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的非线性对流加速项,许多商业和开源CFD代码都采用了几种闭合方法。常用方法(也称为湍流模型)包括

其中哪一个适合于流线型车身的CFD模拟?模拟的目的是引导身体形状的细化以最小化空气动力学阻力。一个示例性答案将简要概述此模拟应用程序中每种方法的优缺点。


可能有用的详细信息:

该车辆为小型单人车辆,尺寸近似

  • L = 2.5 m,
  • W = 0.7 m,并且
  • 高= 0.5 m。

它将以0 m / s到大约12 m / s的速度行驶。所有三个车轮都被车体围护结构包围,除了车轮附近,车辆的离地间隙大约为15 cm,在车轮附近,车身壳体向下延伸到距路面1 cm以内。

通常,在这些速度下的空气动力几乎可以忽略不计,但是假设该车辆的设计目的是在光滑的轨道上参加“超级里程”竞赛,重量非常轻,并且在整个过程中使用低摩擦传动系组件,因此空气动力学力对可达到的燃料消耗有重大影响。

Answers:


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湍流模型可以在模拟中产生很大的不同。周围有许多湍流模型。从其中选择一个是一项艰巨的工作。

没有完美的湍流模型。这都取决于几个参数,例如雷诺数,是否分离流动,压力梯度,边界层厚度等。在此答案中,给出了一些流行模型的简要信息,以及优缺点和潜在应用。但是,有兴趣的用户可以访问这个出色的NASA网站和其中的参考资料,以了解有关湍流建模的更多信息。

A)一个方程模型:

1. Spalart-Allmaras

该模型解决了Spalart-Allmaras粘度的另一个变量。根据NASA文件,此模型有许多针对特定目的的修改。

优点:内存占用少,非常健壮,收敛快

缺点:不适用于分离流,自由剪切层,衰减湍流,复杂的内部流

用途:边界层中的计算,整个流场(如果分离不大或没有分离),航空航天和汽车应用,用于进入更高模型之前的初始计算,可压缩流量计算

适用于您的情况:减少模拟时间的理想选择。您可以使用此模型很好地预测阻力。但是,如果您想了解流分离区域,则此模型将不会提供高度准确的结果。

________________________________________________________________________________

B)两种方程模型:

  1. kϵ

kϵ

优点:易于实现,收敛速度快,可以在许多实际情况下预测流量,有利于外部空气动力学

缺点:不适合轴对称射流,涡流和强分离。对于不利的压力梯度,灵敏度极低,难以启动(需要使用Spalart-Allmaras进行初始化),不适用于近壁应用

用途:适用于初次迭代,适用于复杂几何形状周围的外部流动,适用于剪切层和自由的无壁边界流动

Re=1.98106kϵ


kω

kωkϵ

优点:非常适合边界层,在负压梯度下工作,适用于强分离流,射流和自由剪切层

缺点:收敛所需的时间更多,内存密集,需要靠近壁的网格分辨率,可以预测过早和过度的分离

用途:内部流动,管道流动,喷射流动,涡流

ω


kω

kωkϵ

kω

kω

用途:外部空气动力学,分开的流动,边界层和不利的压力梯度

kϵ


那么哪种模式最合适?

kω

而且不要相信我。关于“ 计时骑手空气动力学分析和阻力系数评估 ”的报告使用了SST模型。本文比较了所有湍流模型对骑车人空气动力学的结果,并得出结论,SST模型给出了最佳的总体结果。我之所以引用这些结果,是因为雷诺(Reynold)在数字和尺寸上都最接近您的情况,因为有大量研究可供参考。

kϵkϵkϵ

如果您有更好的计算资源,请使用LES。但我觉得在这种情况下不要求这样做,可能不合适。我没有LES的经验,因此无法发表评论。


一些有趣的资源:

  1. FOAM之家:如果您想逐步学习OpenFOAM

  2. 湍流数值模拟的最新进展

  3. 21st

  4. 湍流模型及其在复杂流动中的应用

祝一切顺利!

干杯!


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我不能说这将是理想的答案,但这应该可以帮助您入门。显而易见,我不是一个真正的专家。

ϵω

在中间三个范围内,SST(因此被告知)在正确预测流分离方面更好。另外两个习惯是不预测何时应该分离。考虑到分离通常会引起阻力,因此可能会导致外观设计有缺陷的缺陷。

尽管如果可能的话,绝对会首选RSM,但它将是最耗时的,因为它在NS之上添加了7个方程式。10年前,您可能不得不在这里做出艰难的选择。这些天,您应该能够在合理的时间内扭转这种车辆的RSM模型。

在过去的几个月中,我一直在研究FSAE(开放轮式单座赛车)航空设计,并且发现RSM在合理的高端笔记本电脑或任何受人尊敬的游戏平台上运行是合理的。如果需要评估大量的设计迭代,还可以找到可以租用运行时间的地方。我可以添加我们使用的一家公司的名称,该公司的名称是为了运行我们所需的软件而建立的,并帮助我们提高了学生的价格(如果适合SE,请提供一些评论)。

略有切线:我强烈建议您寻找可用于验证方法的论文(理想情况下是实验性的)。我们非常确定,在继续运行自己的设计之前,我们可以在合理的范围内重新创建风洞实验的结果。运行网格敏感度分析以确保您解析流的结构也很重要。

同样,从您的表面脱落的棱镜层(以更好地解析边界层)也很重要。

上一篇:Fluent的同事们写的这份文件有些陈旧,但是对于我们入门还是很有帮助的。(很抱歉,此链接已刻划。


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kωSST

如果您可以承担多个模拟的费用,我将使用不同的模型进行比较。这样,您可以确定湍流模型在您的特定应用中的影响。

您能否澄清是要寻找最佳速度分布还是对分离更感兴趣?

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