1. 乱流パラメータの種類

FLUENT流れ場シミュレーションの乱流設定では、境界条件の乱流パラメータを設定する必要があります。多くの場合、流れの入口と出口での乱流設定は計算結果に大きな影響を与えません。ただし、場合によっては（流れの入口と出口の乱流レベルが境界層の乱流レベルに近い、または境界層の乱流レベルよりも高い場合（ジェットなど））、乱流パラメータが収束に影響します。速度とシミュレーション結果のため、大まかな見積もりが必要です。各パラメータの値。

上の図に示すように、Fluent には 6 つの一般的に使用される境界乱流パラメータがあります。すなわち、乱流運動エネルギー (k)、乱流散逸率 (ε、k-ε 乱流モデルを使用)、または比散逸率 (ω、 k-オメガ乱流モデル) )、乱流強度 (Intensity)、乱流長さスケール (Length Scale)、乱流粘度比 (Viscosity Ratio)、水力直径 (Hydraulic Diameter)。Fluent の入口と出口の乱流パラメータ設定プロセスでは、多くの場合、乱流パラメータ設定のうち 2 つを選択する必要があります。

注: 出口境界条件の乱流パラメータ設定では、パラメータの前に逆流が追加されます。これは、出口で逆流が発生した場合の逆流の乱流パラメータを示します。逆流現象が無い場合はパラメータは無効となります。

2. 乱流パラメータの計算

1. 乱流強度 (I)

乱流強度は、平均流速に対する速度変動の二乗平均平方根 u' の比です $_{8月}に$ 。1% 以下は乱流強度が低いことを示し、10% を超えると乱流強度が高いことを示します。内部の流れの場合、空気の流れが完全に発達したときの式は次のとおりです。

$I=\frac{u'}{u_{avg}}=0.16\cdot Re^{-\frac{1}{8}}$

$Re=\frac{\rho \cdot u\cdot D_{H}}{\mu }$

このうち、Iは乱流の強さ、Reはレイノルズ数、uは流体の流速、DHは水力直径、μは粘性係数です。

内部流れの場合、上流の流れが十分に発達しておらず、乱されていない場合は、低い乱流強度を使用できます。Fluent のデフォルトの乱流強度は 5% です。このパラメータを設定するときは、まず作業条件のレイノルズ数を大まかに推定し、次に乱流の強度を推定します。または、作業条件の乱気流レベルを自分で決定し、乱気流の強さを大まかに見積もることもできます。

2. 乱流長さスケール (l)

乱流の長さスケール l は渦の大きさに関係します。パイプ内で完全に発達した流れでは、乱流の長さスケール l とパイプの物理的なサイズの間にはおおよその関係があります。式は次のとおりです。

$l=\frac{0.07L}{C_{\mu }^{0.75}}$

このうち、l は乱流スケール、L は水力直径とみなせる特性スケールです（ただし、乱流の乱れが回転翼や多孔板などの流れの障害物によるものである場合、L は水力直径ではなく、障害物の特徴的な長さです。)。係数 0.07 は、完全に発達した乱流パイプ流における最大混合長さに基づいています。Cμ は ke 乱流モデルの定数項係数で、一般的なデフォルト値は 0.09 です。この係数は、Fluent ke 乱流モデルの「モデル定数」の「Cmu」で照会できます。

入口に乱流境界層がある壁境界流れの場合、上記の式で計算する必要はありません。乱流の長さスケールは、境界層の厚さの 0.4 倍として直接決定できます。式は次のとおりです。

$l=0.4\cdot \delta _{99}$

3. 乱流粘度比（μt）

このパラメータは、乱流粘度と流体動粘度の比です。標準的な k-ε モデルの場合、最も重要な仮定は、乱流の運動エネルギー k と乱流の散逸率 ε を使用して乱流の粘度を表すことです $\mu_{t}$ 。

$\mu_{t}=\rho \cdot C_{\mu }\cdot \frac{k^{2}}{\varepsilon}$

このうち、 $C_{\μ }$ 意味は先ほどと同じです。 $\mu_{t}$ 一般に、正確に計算する必要はなく、大まかな見積もりのみが必要です。一般に、乱流粘度比は 1 ～ 10 であり、デフォルト値は 10 です。外部フリーフローなどの低乱流レベルの場合、乱流粘度比を 1 に設定できます。中程度の乱流レベルの場合、乱流粘度比を 10 に設定できます。乱気流レベルが高い場合、この値は最大 100 に設定できます。

シミュレーション中に「***セルの粘度比1.00e+05に乱流粘度が制限される」という問題が頻繁に発生しますが、これは計算時の乱流レベルが非常に高く、実際のレベルに達しているためです。ありえない労働条件。実際の作業条件でそのような大きな乱流がない場合は、この警告を取り除くためにこのパラメータを適切に下げる必要があります。

4. 運動エネルギー (k)

乱流運動エネルギーは、乱流の運動エネルギーを測定するための物理量であり、瞬時値を平均値と脈動値に置き換えて平均し、3方向方程式を加算して乱流運動エネルギー方程式を求めます。

$k=\frac{3}{2}\cdot (u_{avg}\cdot I)^{2}$

このうち、k は乱流の運動エネルギー、 $_{8月}に$ は流体の平均流速、I は乱流の強度です。

5. 乱流散逸速度 (ε)

乱流散逸率は乱流モデルごとに異なる記号で表され、k-ε モデルでは ε で表され、k-オメガモデルでは ω で表されます。

$\varepsilon =\frac{k^{1.5}}{l}$

このうち、k は乱流の運動エネルギー、l は乱流の長さのスケールです。乱流粘性率を使用した別の計算式は次のとおりです。

$\varepsilon =\rho \cdot C_{\mu }\cdot \frac{k^{2}}{\mu}\cdot(\frac{\mu _{t}}{\mu })^{-1}$

このうち、k は乱流の運動エネルギー、μ は流体の粘度、ρ は流体の密度です。

6. 比誘電率(ω)

$\omega =\frac{k^{0.5}}{C_{\mu }\cdot l}$

このうち、k は乱流の運動エネルギー、l は乱流スケールです。乱流粘性率を使用した別の計算式は次のとおりです。

$\omega =\rho \cdot \frac{k}{\mu}\cdot (\frac{\mu _{t}}{\mu })^{-1}$

7. 油圧直径 (DH)

水力直径は、円周に対する流れ断面積の比率の 4 倍です。

$D_{H}=\frac{4A}{P}$

このうち、Aは流体断面積、Pは流体接液周長を表します。円管内の流れの場合、その真の直径は水力直径です。パイプの流れが非円形の場合、または流体がパイプ内に満たされていない場合は、上記の式を使用して計算する必要があります。準無限幅 (W >> H) の平行プレート間の流れの場合、水力直径はプレート間隔そのものではなく、プレート間隔 (2H) の約 2 倍である必要があります。

8. 修正乱流粘度の推定 (修正乱流粘度、v)

乱流モデルがSpalart-Allmarasモデル(1方程式モデル)の場合、境界乱流パラメータには乱流粘性を補正する設定があり、このパラメータの計算式は次のようになります。

$\widetilde{\nu }=C_{\mu }\cdot \sqrt{\frac{3}{2}}\cdot u_{avg}\cdot I\cdot l$

9. レイノルズ応力成分の推定

乱流モデルがレイノルズ応力モデル (RSM) の場合、境界乱流パラメータにはレイノルズ応力成分の設定が含まれます。uu、vv、ww のレイノルズ応力公式は次のとおりです。

$\overline{u_{\alpha }^{'}u_{\alpha }^{'}}=\frac{2}{3}k$

uv、vw、および uw のレイノルズ応力公式は次のとおりです。

$\overline{u_{i}^{'}u_{j}^{'}}=0$

3. 乱流パラメータの選択

(1) 完全に開発された内部流れ、乱流強度と水力直径 (強度と水力直径) を選択します。

(2) ガイドベーン、多孔板などの流れの場合は、強度と長さのスケール (強度と長さのスケール) を選択します。

(3) 流れは乱流境界層を引き起こす壁で囲まれており、強度と長さのスケールが選択されます。

Fluent ソルバー - 乱流パラメータの設定