2.3.3 粘性模型设置

根据不同的雷诺数，流体的流动分为层流和湍流。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，而且引起数量的波动。

在浏览树中双击“设置”→“模型”→“粘性”选项，弹出“粘性模型”对话框，如图2-22所示。下面对常用的几个粘性模型进行介绍。

1.无粘

进行无粘计算。

2.层流

对于管内流动而言，当雷诺数计算数值小于2300时，管道内流体的流动状态为层流，则选择“层流”模型，无须设置其他的参数。

3.Spalart-Allmaras（1 eqn）模型

该模型最早被用于有壁面限值情况的流动计算，特别是存在逆压梯度的流动区域内，对边界层的计算效果较好，因此经常被用于流动分离区附近的计算。此外，它也适用于低雷诺数流动计算，特别是在需要准确计算边界层粘性影响的问题中效果较好。其具体参数设置如图2-23所示。

4.k-epsilon（2 eqn）模型

该模型分为3种，即Standard（标准）模型、RNG模型及Realizable模型，如图2-24所示。

1）Standard k-epsilon模型。由Launder和Spalding提出，其稳定性好、计算精度高等优点使之成为湍流模型中应用范围最广的一个模型。

Standard k-epsilon模型通过求解湍流动能（k）方程和湍流耗散率（ε）方程得到k和ε的解，然后再用k和ε的值计算湍流粘度，最终通过Boussinesq假设得到雷诺应力的解。但也存在不足；它假定湍流为各向同性，因此在非均匀湍流的计算中存在较大误差。

2）RNG k-epsilon模型。它在Standard k-epsilon模型上的改进主要是在ε方程中增加了一个附加项，使其在计算速度梯度较大的流场时精度更高。

RNG k-epsilon模型还考虑了旋转效应，因此对强旋转流动的计算精度也得到了提升；模型中包含了计算湍流Prandtl数的解析公式，而不像Standard k-epsilon模型那样仅使用用户定义的常数；Standard k-epsilon模型是一个高雷诺数模型，而RNG k-epsilon模型在对近壁区进行适当处理后可以计算低雷诺数效应。

3）Realizable k-epsilon模型。它在Standard k-epsilon模型上的改进主要是采用了新的湍流粘度公式，且满足对雷诺应力的约束条件，因此可以在雷诺应力上保持与真实湍流的一致性。

Realizable k-epsilon模型可以更精确地模拟平面和圆形射流的扩散速度，同时在旋转流计算、带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，其计算结果更符合真实情况。但是Realizable k-epsilon模型在同时存在旋转和静止区的流场计算中（如多重参考系、旋转滑移网格等）会产生非物理湍流粘度，因此在这类计算中应该慎重选用。

5.k-omega（2 eqn）模型

k-omega模型也是二方程模型。Standard k-omega模型中包含了低雷诺数影响、可压缩性影响和剪切流扩散，因此适用于尾迹流动计算、混合层计算、射流计算，以及受到壁面限值的流动计算和自由剪切流计算。

剪切应力输运k-omega模型（简称SST k-omega模型）综合了k-omega模型在近壁区计算和k-epsilon模型在远场计算的优点，将k-omega模型和Standard k-epsilon模型分别乘以一个混合函数后再相加就得到了这个模型。在近壁区，混合函数的值等于1，因此它在近壁区等价于k-omega模型；在远离壁面的区域，混合函数的值等于0，因此自动转换为Standard k-epsilon模型。

与Standard k-omega模型相比，SST k-omega模型中增加了横向耗散导数项，同时在湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的输运过程，模型中使用的湍流常数也有所不同。

这些特点使得SST k-omega模型适用范围更广，如可以用于带逆压梯度的流动计算、翼型计算、跨音速激波计算等，具体参数设置如图2-25所示。

6.雷诺应力（RSM-7 eqn）模型

雷诺应力模型中没有采用涡粘度的各向同性假设，因此从理论上说比湍流模式理论要精确得多。雷诺应力模型不采用Boussinesq假设，而是直接求解雷诺平均N-S方程中的雷诺应力项，同时求解耗散率方程，因此，在二维问题中需要求解5个附加方程，在三维问题中则需要求解7个附加方程。

从理论上说，雷诺应力模型应该比一方程模型和二方程模型的计算精度更高，但实际上该模型的精度受限于模型的封闭形式。因此雷诺应力模型在实际应用中并没有在所有流动问题中都体现出其优势，只有在雷诺应力明显具有各向异性的特点时才必须使用雷诺应力模型，如龙卷风、燃烧室内的流动等带强烈旋转的流动问题。模型具体参数设置如图2-26所示。