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二式模式

【二式模式】基础信息( 英文,繁体)

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  • 繁体二式模式
  • 英文two-equation models

【二式模式】是什么意思

在工程应用上,除了实验外,如何计算求得乱流中某些重要的物理量纲,如平均速度、温度在流场内的空间分配情形为重要的课题,因为实验有时不仅花费昂贵或能提供之数据有限,甚或在某些情况下根本无法进行。如何计算求得乱流场之物理量纲呢?以平均速度计算为例,设平均流速为 ,速度紊变为u',由动量方程式出发,可求得 之控制方程式,但由于动量方程式中的非线性之故, 之控制方程式出现多余的未知项,此未知项即为所谓的乱流应力或雷诺兹应力,如 等,此情况形成所谓的封闭性问题(closure problem),亦即未知数比要解之方程式数目为多。由于此类未知数在一般情况下其数值皆相当大而不可全部忽略不计,否则所谓的乱流扩散或输送现象即无法表示出来。基于此,在计算上必须建立起诸此未知数与已知之应变数间之关系,在此例中亦即 间之关系。在工程计算上,常用梯度式形式作为模型表示此等关系,如 中,vt为涡流黏度(eddy viscosity),y表速度v之方向。此梯度式假设为Boussinesque近似。要避开封闭性问题尚须处理涡流黏度的表示,由于vt之单位可以速度及长度之乘积表示,因此若将其中之速度以 表示而长度视流场之几何形状另外给定,如此解决封闭性问题之模式称之为零式模式(zero-equation model),早期的模式多属此类,如有名的混合尺度理论(mixing-length theory),在理论中 为混合尺度。到了50年代则发展出单式模式,在此模式中, 为乱流能量(turbulence kinetic energy)。k另由其输送微分方程式决定,而lm仍须另外给定。到了60年代末由于计算机的发展,以及较复杂的乱流场计算考虑之下,发展出二式模式,在此模式中,k及l两者皆由输送方程式求解,而vt=k1/2.l。上述二式模式之操作原理在实际的计算上常以另外的形式表示,将应变数k及l,以k及z=kmln取代,m,n为常数。此因尺度l之输送方程式之推导似不宜以梯度形式之模型表示之故。着名的 二式模式(Jones Launder, 1972)中,ε=k3/2.l,ε为乱流之能量耗散率(turbulence energy dissipation rate)。在二式模式中有特定之常数须由实验数据比较而得,而此类常数可能视流场的几何形状之不同而有所变化,如平面自由剪流与轴对称喷射流,因此亦相对地限制了模式所能预测之乱流的种类。除了二式模式外亦发展参试模式,唯其模拟之对象不同,如雷诺应力等在参试模式中有其输送方程式,亦可说参试模式在较高阶之有关力矩方程式(moment equations)上处理封闭性的问题,相对的其中所牵涉的数学亦较繁覆,而其结果不一定较二式模式精确。

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