1.4 湍流模型

层流和湍流是流体运动的两种基本形式。1883年，雷诺揭示了黏性流动这两种不同本质的流动形态。自此，世界各国学者对湍流进行了持续研究，取得不少进展，解决了很多工程领域的难题。但由于湍流运动极其复杂，其基本机理至今未能完全掌握，而且不能准确地定义并定量地给出湍流的运动特性。目前，一般将湍流的主要特征归结为随机性、扩散性、有涡性和耗散性。

湍流出现在速度变动的地方，这种波动引起流体介质之间动量、能量和浓度的变化，而且引起了数量的波动。由于这种波动是小尺度、高频率的，所以在实际工程计算中直接模拟的话对计算机的要求会很高。实际上，瞬时控制方程可能在时间上、空间上是均匀的，或者可以人为地改变尺度，这样修改后的方程耗费较少的计算机资源。但是，修改后的方程可能包含有我们所不知的变量，湍流模型需要用已知变量来确定这些变量，目前能够用于工程计算的湍流数值计算方法是雷诺平均方法，即只计算大尺度平均流动，所有湍流脉动对平均流动的作用，用湍流模式理论加以封闭，使计算量大为减少。在各种湍流模式中，涡黏性湍流模型在工程计算中应用尤为广泛，但由于目前的湍流模型基本上都是基于低速不可压缩模式发展的，工程中一般选用广为应用的标准k-ε模型。

湍流流动受壁面影响很大，很明显平均流动区域将由于壁面不光滑而受到影响。当然，湍流还受到壁面产生的其他影响。在离壁面很近的地方，黏性力将抑制流体切线方向速度的变化，而且流体运动受壁面阻碍从而抑制了正常的波动。

在近壁面的外部区域，湍流动能受平均流速的影响而增大，湍流运动加剧。大涡模拟（LES）模型仅适用于湍流核心区域（一般都远离壁面），应该考虑怎样使这些模型适用于壁面边界层处的流动。如果近壁面的网格划分足够好，Spalart-Allmaras和k-ω模型可以解决边界层的流动。