旋风汽水分离器湍流模型研究

　　汽液分离器中的两相流的分离过程极为复杂，往往是靠几种分离作用的综合效应来实现的。旋风汽水分离器内部的流体流动为三维强旋转和高度湍流的两相流运动，运动规律非常的复杂，文章主要采用标准к—?模型，RNGк—?模型和RSM(LRR 和 SSG)模型讨论旋风汽液分离器中汽液两相湍流模拟。

　　1 湍流方程

　　湍流模式至今已经发展了 100 多年，可是直到今天，仍然没有普遍适用的湍流模式，甚至对已经存在的湍流模式也缺乏公认的评价。目前处理湍流数值计算问题有三种方法：直接数值模拟(DNS)方法，大涡模拟(LES)方法和雷诺平均 N-S 方程(RANS)方法。其中雷诺平均 N-S 方法是目前唯一能够用于工程计算的方法。虽然许多研究人员认为湍流的基本物理概念能被 N-S 方程描述，并且可以通过直接数值模拟(DNS)得到流场的湍流结构，但由于受计算机条件的限制，对于复杂结构的流动直接数值模拟很难实现。采用雷诺平均方法，根据其具体的模拟方法可以分为单方成模型、双方程模型、三方程模型及雷诺应力的直接模拟求解。双方程模型包括标准κ −ε，RNGκ −ε模型及与相关的一些修正模型，以上均采用涡粘性系数的概念，即湍流的各向同性假设。雷诺应力模型抛弃了涡粘性系数的概念，直接求解应力输运方程。

　　1.1 标准к—?模型

　　该模型是基于各向同性涡粘性的 Boussinesq 假设，采用如下的雷诺应力关联式：

　　1.2 RNG κ − ε模型

　　RNGκ −ε模型是由 Yakhot 和 Orszag 等应用重整化群(Renormalization Group RNG)理论，在κ −ε模型的基础上发展起来的一种κ −ε模型改进形式。其基本思想是把湍流视为受随机力驱动的输运方程，再通过频谱分析消去其中的小尺度涡，并将其影响归并到涡粘性中，以得到所需尺度上的输运方程。在高雷诺数时，RNGκ −ε模型与标准 κ − ε模型具有相同的形式，只不过在方程中出现了一个附加生成项，当流动快速畸变时，这一项显著增大，RNGκ −ε模型中κ 和ε的输运方程为：

　　Sij为平均应变率常量，方程中的模型系数分别如下：

　　由此看出，RNGκ −ε模型与标准κ −ε模型的主要区别在于：

　　RNGκ −ε模型中的常数是用理论推导得出的，而不是依靠经验来确定的，其适用性更强。可以用于低雷诺数流动的情况，甚至像层流那样的流动也能给出很好的模拟结果。在耗散率方程中增加了新的应变项，体现了平均应变率对耗散项的影响。