k-epsilon湍流模型屬於二方程模型,它適合完全發展的湍流,對雷諾數較低的過渡情況和近壁區域則計算結果不理想。常見的k-ε模型有:
① 標準的k-ε模型:
最簡單的完整湍流模型是兩個方程的模型,要解兩個變量,速度和長度尺度。在FLUENT中,標準k-ε模型自從被Launder and Spalding提出之後,就變成工程流場計算中主要的工具了。適用範圍廣、經濟、合理的精度。它是個半經驗的公式,是從實驗現象中總結出來的。
湍動能輸運方程是通過精確的方程推導得到,耗散率方程是通過物理推理,數學上模擬相似原型方程得到的。
應用範圍:該模型假設流動為完全湍流,分子粘性的影響可以忽略,此標準κ-ε模型只適合完全湍流的流動過程模擬。
② RNG k-ε模型:
RNG k-ε模型來源於嚴格的統計技術。它和標準k-ε模型很相似,但是有以下改進:
a、RNG模型在ε方程中加了壹個條件,有效的改善了精度。
b、考慮到了湍流漩渦,提高了在這方面的精度。
c、RNG理論為湍流Prandtl數提供了壹個解析公式,然而標準k-ε模型使用的是用戶提供的常數。
d、標準k-ε模型是壹種高雷諾數的模型,RNG理論提供了壹個考慮低雷諾數流動粘性的解析公式。這些公式的作用取決於正確的對待近壁區域。
這些特點使得RNG k-ε模型比標準k-ε模型在更廣泛的流動中有更高的可信度和精度。
③ 可實現的k-ε模型:
可實現的k-ε模型比起標準k-ε模型來有兩個主要的不同點:
a.可實現的k-ε模型為湍流粘性增加了壹個公式。
b.為耗散率增加了新的傳輸方程,這個方程來源於壹個為層流速度波動而作的精確方程。
應用範圍:
可實現的k-ε模型直接的好處是對於平板和圓柱射流的發散比率的更精確的預測。而且它對於旋轉流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流有很好的表現。
可實現的k-ε模型和RNG k-ε模型都顯現出比標準k-ε模型在強流線彎曲、漩渦和旋轉有更好的表現。由於帶旋流修正的k-ε模型是新出現的模型,所以還沒有確鑿的證據表明它比RNG k-ε模型有更好的表現。但是最初的研究表明可實現的k-ε模型在所有k-ε模型中流動分離和復雜二次流有很好的作用。
該模型適合的流動類型比較廣泛,包括有旋均勻剪切流,自由流(射流和混合層),腔道流動和邊界層流動。對以上流動過程模擬結果都比標準k-ε模型的結果好,特別是可再現k-ε模型對圓口射流和平板射流模擬中,能給出較好的射流擴張。