陳慶義,湯勇,高音

(大連海洋大學海洋工程學院,遼寧大連116023)

雷諾應力與流場旋度的關聯(lián)分析

陳慶義,湯勇,高音

(大連海洋大學海洋工程學院,遼寧大連116023)

基于雷諾時均方程導出了含有雷諾應力的渦量微分方程。對于充分發(fā)展湍流流動在高雷諾數弱非定常條件下,從平衡角度分析雷諾應力與時均流場渦量及速度的關系,得出雷諾應力與時均流場的渦量和速度的耦合作用是相關聯(lián)的,反映流場結構的渦量的演化能夠間接表示湍流動能的輸運和耗散過程。在標準κ-ε模型中,對其本構方程加入渦量張量和變形速度張量使其非線性化后,改善了對正應力的計算,并能預示二次流的存在。

雷諾應力;κ-ε模型;渦量;本構方程

湍流在數學上處理起來十分困難的主要原因是,即使在邊界條件非常簡單的流動中,運動的長度尺度和時間尺度變化范圍都很寬。湍流不僅是一種有渦流動,而且不同尺度旋渦之間的相互作用并不相同[1]。旋渦相互作用的理論主要有Bossinesq-Parandtl-Taylor等的渦黏性假說。渦黏性模型實際上是一個旋渦尺度大小分得很開的相互作用模型,而渦黏性概念構成了已有湍流模型的基礎,這些湍流模型都離不開經驗或半經驗假定。目前,兩個應用比較廣泛的模型是混合長度模型和κ-ε模型。用定義變量中一個長度尺度和一個時間尺度較成功地說明了許多湍流流動的主要特征已屬不易,而標準κ-ε模型是典型的兩方程模型,并被廣泛應用于工程實際中。為了提高標準κ-ε模型在一些無界限流動、強旋轉流動和管道的充分發(fā)展流動中的預測能力,出現了一些修正的κ-ε模型,如典型的(RNG)κ-ε模型和Realizable κ-ε模型[2]。這些模型的主要特點是,在湍流動能κ及其耗散率ε的輸運方程中考慮了渦量的作用,改進了κ-ε模型對湍流應力各向異性的計算[3]。盡管很多專家認為,雷諾應力方程模型(RSM)是能發(fā)展成具有真正通用性的經典湍流模型,但在非線性模型領域中的最新進展也使兩方程模型的研究逐步深入和完善。在這類模型中,將雷諾應力的本構方程加入速度梯度乘積的非線性項,以改變雷諾應力與流場速度梯度的線性關系?，F有的研究中,一般是假定一種雷諾應力本構方程的非線性形式,用數值模擬典型流動來檢驗其有效性,并修改參數值,但關于加入哪種非線性項在理論上更加合理尚未見報道。為此,作者在對非線性項選擇的基礎上進行了理論研究,對于不可壓縮流體,從雷諾方程平衡的角度分析了雷諾應力與時均流場渦量的關聯(lián)性。

1 兩個漩渦運動積分恒等式

引理 設函數L(A)滿足

L(A+B)=L(A)+L(B),

L(λA)=λL(A),

則在表面為S的空間區(qū)域E上,推廣的Gauss公式

對于速度為V、旋度為Ω的流場,將引理應用于L(▽)=(Ω·▽)V時,▽前的Ω并不滿足常量的條件,但Ω滿足條件▽·Ω=0,上式仍成立。下面給出直角坐標系下的證明。

同理,對于不可壓縮流體,▽·V=0,有

此二式為純運動學形式,對于理想流體和黏性流體都是正確的。

2 基于雷諾時均方程的渦量方程

應用雷諾條件對Navier-stokes運動方程施行時間平均計算。對于不可壓流體,雷諾方程為

式中:ν為運動粘度;ρ為流體密度。雷諾應力的出現僅僅是因為把速度場分成了平均運動和脈動兩部分,這并不代表任何新的物理機制。以τij代表雷諾應力張量,將式(3)改寫成矢量形式:

對式(4)兩端進行▽×(·)運算,對于有勢質量力,考慮到

得到基于雷諾方程并含有雷諾應力張量的渦量動量方程為

或

3 雷諾應力與流場旋度的關聯(lián)

3.1 雷諾應力散度表達式的分析

選擇平均流動的特征速度U、特征長度L和特征時間T,得到式(5)的無因次形式為

式中:St(St=L/TU)為平均流場的Strouhal數, Re(Re=UL/ν)為Reynolds數,若定義特征時間T =L/U,則St=1。為了不引起歧義,上式中各變量未做改寫,均表示無因次量。

大漩渦的特征速度θ和特征長度l分別用單位質量流體脈動動能κ和單位質量流體脈動動能的耗散率ε的量綱分析表達式來定義,即θ=和l=/ε是與平均流動的速度U和長度L同量級的。在高Re下,用這些大渦的尺度與運動黏性組成的大渦雷諾數(θl/ν)也是一個大的數值,所以這些大渦受慣性效應支配而黏性效應可以忽略。脈動的作用相對于黏性作用占主導地位。有關實驗表明,采用渦黏性概念的話,湍流渦黏性系數是分子黏性系數μ的幾萬倍[5],1/ReΔΩ項體現了分子黏性的效應,相對于渦黏性作用是小量。湍流本質上是非定常的,對于充分發(fā)展的湍流時均流場,Kolmogorov(1941)的普遍均衡理論表明,較小的漩渦從大漩渦接收能量的速率,非常接近于最小漩渦動能耗散為熱的速率,這樣,整個湍流場就可以在這種極端條件下維持時均流動的相對穩(wěn)定性。如擬序結構猝發(fā)后,能在小的時間尺度下看成時均流動是準定常的。因此,在式(6)中略去項和

因此,必存在一標量勢函數Π滿足

或

依據散度的物理意義,▽·τij為一矢量,表示τij在3個正交方向上相對于體積的變化。▽Π實際上是無旋的質量力(如重力)和壓力梯度的作用。對于整個流場而言,雷諾應力的正應力的各向異性及切應力的對稱性表明,▽·τij不可能是無旋的(在個別時刻可能存在▽·τij是無旋的點),所以從平衡的角度分析,模型化τij時,不必考慮無旋的質量力和壓力梯度,只考慮流場的時均運動量,如式(7)中顯含旋度Ω。因此,在模型化τij時,考慮流場旋度是合理的。

3.2 渦量和速度的耦合演化關系

采用歐拉觀點在表面為S的空間區(qū)域E上寫出對應的積分方程

這里應用了式(1)和式(2),式(8)左端的物理意義不明確,也很復雜,但總體上可看成是僅與雷諾應力有關的一階張量在控制體E內的總和。對于式(8)中的(Ω·▽)V,在直角坐標系下作如下分析:

其中:l沿Ω方向;α、β、γ分別為▽Vx、▽Vy、▽Vz與l的夾角。由此看出,(Ω·▽)V表示速度沿Ω方向的變化,所以

圖1 速度沿渦量方向的變化Fig.1 The velocity change in the direction of vorticity

圖2 渦量沿速度方向的變化Fig.2 The vorticity change in the direction of velocity

從運動學角度看,渦量和速度是相互作用并且耦合在一起的。一方面,渦線的拉伸、壓縮及扭曲使速度發(fā)生變化;另一方面,速度的改變也會引起渦量的變化。平均流對大渦所做的拉伸功提供了維持湍流的能量,盡管小漩渦本身受稍大漩渦強烈的拉伸作用,而直接受平均流的作用要小得多。由于

動能是從大漩渦向越來越小的漩渦傳下去,所以小尺度漩渦的能量從根本上還是來自于平均流。這樣,用體現平均流場結構的特征量,即渦量和速度來近似表征各種尺度漩渦能量的輸運和耗散是可能的。

4 雷諾應力本構方程的非線性項分析

在理論上,建立物質的本構關系時,力學中一條重要的本構公理,即客觀性公理,可表述為:物質的性質不隨觀察者的變化而變化,也就是說,本構關系對于剛性運動的參考系具有不變性[6]。

因為實際湍流不可能與初始條件和邊界條件無關,所以要確定一個不隨邊界形狀改變的類似于分子黏性應力的表達式來代表雷諾應力是不可能的,就是說得不到不隨邊界條件變化的雷諾應力通用表達式[6]。但有些湍流或湍流的某些區(qū)域,初始條件和邊界條件只在流場中特征時間和特征長度同數量級范圍內有影響,超過這些范圍的點,其雷諾應力的結構完全由某一時刻以前歷史上流場中點的平均速度值確定[6]。所以,人們從未放棄對某些類型的湍流,或湍流的某些區(qū)域列出雷諾應力本構關系的想法。

不可壓流體雷諾應力的線性本構方程式如下:

式中:μt為渦粘系數,用k將無因次化,設

則張量bij是對稱的,并且其跡為零。

依據上述客觀性公理,在bij的表達式中可能出現的對稱且跡為零的二次非線性項有

式中:{}表示張量的跡。

很多湍流流動存在二次流,在直方管充分發(fā)展湍流流動中是存在的[7]。筆者在文獻[8]中曾構造本構方程

對直方管和直圓管充分發(fā)展湍流流動進行計算,結果表明:系數A在3個正應力均未出現,說明線性項ASij對正應力無貢獻;同時,非線性項B(ωimωmj-1/3{ωbmωmk}δij)能體現正應力的各向異性,并預示二次流的存在。

文獻[9]中采用

經系統(tǒng)參數辨識后,對擴比為1.125的后臺階流動、繞方塊的二維分離流動和二維U型管道內的流動進行數值模擬計算,與相應實驗結果比較,數值結果均優(yōu)于標準κ-ε模型。

文獻[10]中采用

對直方管充分發(fā)展湍流流動進行計算,結果也表明,線性項ASij對正應力無貢獻,非線性項B(ωimωmj-1/3{ωbmωmk}δij)和C(SimSmj-1/3{SbmSmk}δij)能體現正應力的各向異性,并預示二次流的存在。

以上計算結果的改進可以理解為,相對于標準κ-ε模型,將本構方程加入了流場旋度因素并將其非線性化。這方面的研究目前缺乏不同非線性模型間的比較性分析,有很多工作需要進行,其主要障礙是有關湍流的高精度實驗難以進行。

5 結論

根據以上分析,可得出以下幾點初步結論:

1)在高Re下充分發(fā)展的實際湍流中,擬序結構現象提示可以在弱非定常和無黏性條件下,從平衡角度分析雷諾應力與時均流場結構不隨邊界條件變化的本構關系。

2)時均流場的渦量與速度的演化是耦合在一

起的,以歐拉觀點的任意一有限區(qū)域內的雷諾應力的演變(即湍流動能的輸運和耗散)均體現在控制體內或其控制面上渦量及速度的耦合演化上。

3)將本構方程加入了流場旋度因素并將其非線性化后,能改進對正應力的計算,并能預示二次流的存在,而對于某些特殊流動應用線性本構方程是做不到的。

[1] 吳德銘,郜冶.實用計算流體力學基礎[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2006:342-360.

[2] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京:清華大學出版社, 2004:124.

[3] Hoffman J,Johnson C.A new approach to computationl turbulence modeling[J].Comput Methods Appl Mech Engrg,2006,195:2865 -2880.

[4] 吳望一.流體力學[M].北京:北京大學出版社,1983:31,193, 207-209.

[5] 李心銘.流體動力學[M].青島:青島海洋大學出版社,1996: 388.

[6] 梁在潮,陸晶.湍流雷諾應力的本構關系[J].水動力學研究與進展,2000,15A(1):8-16.

[7] Park T S,Sung H J,Suzuki K.Development of a nonlinear nearwall turbulence model for turbulent flow and heat transfer[J].Int J Heat Fluid Flow,2003,24:29-40.

[8] 陳慶義,卓永強.含有渦量張量的非線性雷諾應力本構方程[J].大連水產學院學報,2008,23(6):466-470.

[9] 錢煒祺,蔡金獅.一種新的非線性κ-ε兩方程湍流模型[J].空氣動力學報,1999,17(4):392-397.

[10] 陳義良.湍流計算模型[M].北京:中國科學技術大學出版社,1991:183.

The relationship analysis of Reynolds stress and vorticity

CHEN Qing-yi,TANG Yong,GAO Yin
(School of Marine Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

Based on the time-averaged Reynolds equation a vorticity differential equation with Reynolds stress contained is derived.For the full development turbulence,under condition that the flow is weakly variational with relatively large Reynolds number,the relation of Reynolds stress and the time-averaged vorticity or velocity is analyzed from an angle of equilibrium.It concluded that Reynolds stress is relative to the coupling action of vorticity or velocity and the deduction of vorticity reflecting flow field structure can indirectly express the process of turbulent kinetic energy transport and its rate of dissipation.The non-lineated κ-ε model being added deformation tensor and vorticity tensor has improved the calculation of Reynolds normal stresses,and is capable of predicting the existence of second flow.

Reynolds stress;κ-ε model;vorticity;constitutive equation

2095-1388(2011)01-0083-05

O35

A

2010-12-06

國家自然科學基金資助項目(10774021);大連海洋大學校列項目(SY 2007017)

陳慶義(1964-),男,博士生,副教授。E-mail:dlhhjys@163.com