[论文解读] Performance of eddy-viscosity turbulence models for predicting swirling pipe-flow: Simulations and laser-Doppler velocimetry

Diego del Olmo Díaz, Denis F. Hinz|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2015

Cyclone Separators and Fluid Dynamics参考文献 3被引用 10

一句话总结

本研究通过激光多普勒测速（LDV）实验和OpenFOAM模拟，评估了雷诺平均N-S方程（RANS）湍流模型在旋流管流中的表现。真实化k-ε模型在速度预测方面最为准确，而k-ω模型则更优地捕捉了压降，凸显了工业旋流流模拟中速度与压降精度之间的权衡。

ABSTRACT

We use laser-Doppler velocimetry (LDV) experiments and Reynolds-averaged Navier--Stokes (RANS) simulations to study the characteristic flow patterns downstream of a standardized clockwise swirl disturbance generator. After quantifying the impact of the mesh size, we evaluate the potential of various eddy-viscosity turbulence models in providing reasonable approximations with respect to the experimental reference. The choice of turbulent models reflects current industry practice. Our results suggest that models from the $k$-$ε$ family are more accurate in predicting swirling flows than models from the $k$-$ω$ family. For sufficiently resolved meshes, the realizable $k$-$ε$ model provides the most accurate approximation of the velocity magnitudes, although it fails to capture small-scale flow structures which are accurately predicted by the standard $k$-$ε$ model and the RNG $k$-$ε$ model. Throughout the article, we highlight practical guidance for the choice of RANS turbulence models for swirling flow.

研究动机与目标

• 通过实验LDV数据验证涡粘性RANS湍流模型在旋流管流中的性能。
• 评估网格分辨率对旋流流配置模拟精度的影响。
• 为工业应用中涉及旋流流的湍流模型选择提供实用指导。
• 量化标准k-ε与k-ω模型在标准旋流发生器中对速度、压降和流场结构的预测能力。
• 在不同流态和管径下评估模型性能，检验流场的自相似性。

提出的方法

• 开展激光多普勒测速（LDV）实验，获取标准顺时针旋流扰动发生器下游的高分辨率速度测量数据。
• 使用OpenFOAM对多种涡粘性湍流模型（标准k-ε、RNG k-ε、真实化k-ε和k-ω SST）进行雷诺平均N-S（RANS）模拟。
• 系统性地改变网格分辨率，量化其对模拟精度和收敛性的影响。
• 采用轮廓因子、不对称因子、湍流因子和旋流角等性能指标，将模拟结果与实验数据进行对比。
• 通过与Moody图中的理论值对比，验证压降预测结果，评估摩擦因数的准确性。
• 通过比较不同管径和流量下的结果，应用自相似性分析，评估流场对几何与流动参数的独立性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种涡粘性RANS湍流模型在旋流管流中对轴向和切向速度剖面的预测最为准确？
• RQ2 网格分辨率在多大程度上影响基于标准旋流发生器的旋流流RANS模拟精度？
• RQ3 与理论参考值相比，k-ε与k-ω族模型在预测压降和摩擦因数方面存在多大差异？
• RQ4 不同旋流扰动几何结构生成的流场在不同管径和流量下是否可视为自相似？
• RQ5 标准RANS模型在多大程度上能再现LDV实验中观察到的小尺度流场结构（如涡旋和速度剖面峰值）？

主要发现

• 真实化k-ε模型在旋流管流中对速度幅值的近似最为准确，优于其他k-ε和k-ω模型。
• 标准k-ε和RNG k-ε模型更优地捕捉了涡旋和速度剖面峰值等小尺度流场结构，而真实化k-ε模型未能解析这些结构。
• k-ε族模型的压降和摩擦因数预测值高于Moody图中的理论值，其中真实化k-ε模型的过预测程度最高。
• k-ω模型的压降预测值最接近理论参考值，表明其在摩擦因数估算方面具有更高的准确性。
• 轮廓因子、不对称因子和湍流因子等性能指标在不同管径和流量下保持一致，表明流场具有自相似性。
• 尽管旋流发生器存在微小几何差异，但生成的流场近似自相似，表明模型性能可在标准测试配置间有效迁移。