在选择湍流模型时，主要的考虑因素是该模型能为特定流动或某类流动提供的精度。

由于所有的湍流模型都是或多或少针对相同的基准流动（如平板边界层、基本自由剪切流和衰减湍流等）进行校准的，因此模型在狭窄的“校准盒”之外的精度只能通过进一步的验证研究来确定。这些研究基于“积木式”测试案例，通常是在校准案例的基础上增加一些复杂元素，如逆压梯度、分离、旋涡等。由于这些案例并不包括工业流动中看到的复杂相互作用，因此它们无法提供全貌，但可以更好地了解模型对特定类型流动的适用性。这些测试案例也是模型开发和校准期间对模型进行测试的极限，因为更复杂的工业流动通常缺乏详细的实验数据，无法针对特定模型的缺陷得出有意义的结论。在接下来的部分中，将讨论这些积木式测试案例讨论各模型的性能，每部分重点关注不同的物理效应。对CFD用户来说，重要的是了解模型性能的差异，以便于在选择模型时做出明智的决定。

由于这是一份最佳实践文件，因此只提供了关于测试案例及其数值设置的最必要信息。所有计算结果都已确保与网格无关，并且在所有情况下，边界条件尽可能地与实验相匹配。

4.1 平板流动

零压力梯度平板边界层流动的设置（见图 3）基于 Wieghardt 和 Tillmann 的实验[29]。基于入口速度和平板长度的雷诺数 Re = 1E7，壁面保持恒定，没有进行传热测量。因此，为了评估湍流模型预测壁面传热的能力，采用经验相关性从测得的壁面摩擦系数(skin friction coefficient)分布计算壁面处的斯坦顿数(stanton number)。

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图3 平板上的流动示意图

计算区域如图4所示。入口面指定了恒定的速度和温度值，入口和壁面温差为10 K。入口处的湍流特征也被假设为恒定值，其值为自由流湍流强度Tu=1%，湍流粘度比TVR=0.2。计算网格（见表1）包括了三种近壁面情况：粘性子层、对数区域和过渡层的分辨率。

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图4 平板上流动的带边界条件和网格的计算域Mesh 1Mesh 2Mesh 3Mesh 4Mesh 5y+ max56.922.614.43.10.3y+ mean33.610.96.11.10.1网格数380046005000600080004.1.1 模型比较

图5显示了不同湍流模型（SST、GEKO、SA和RKE）在精细网格Mesh-5上的计算结果比较。所有测试的模型在平板模拟中都表现良好，包括壁面剪切应力Cf以及壁面传热系数St。

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图5：壁面剪切应力系数的比较，𝑪𝒇 （左）和平板边界层[29]和y+~1的壁面传热系数St.（右）

此外，速度分布与对数分布非常一致，如图6所示。

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图6：Rex=8.7E6时平板边界层中速度分布的比较4.1.2 非线性效应

对于简单的壁面有界流动，EARSM模型以及RSM模型的非线性效应对主流流动没有影响。图7显示了包含和不包含EARSM/RSM选项的GEKO模型的壁面摩擦系数和壁面速度分布的预测。

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图7 在Rex=8.7e6（右）时，用GEKO模型预测的平板边界层的壁剪切应力系数（左）和速度分布的比较4.1.3 网格敏感性

对于粗糙网格，计算精度主要取决于壁面处理方式。对于k-ω湍流模型，使用对y+不敏感的自动壁面处理，可以使近壁面分辨率的求解几乎独立于网格。图 8 显示了 SST 模型求解的示例。另一方面，高雷诺数 k-ε 湍流模型的壁面剪切应力预测精度取决于壁面处理方法的选择。如图 9（左）所示，为高雷诺数k-ε计算网格设计的标准壁面函数（Standard Wall Functions，SWF）并不适用于低雷诺数精细的y+~1网格。使用可扩展壁面函数（Scalable Wall Functions，ScWF）后，情况得到了很大改善（图 9 和图 10 - 右）。因此，在其余的测试案例中，k-ε模型都使用了 ScWF 壁面函数。不同壁面处理方法的数学公式见第 9.3 节。

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图8 使用 SST 模型比较平板边界层的壁面剪应力系数 Cf（左）、壁面传热系数 St（中）和 Rex = 8.7E6 时的对数速度分布（右）

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图9 使用 RKE 模型计算的平板上的表面摩擦系数分布，其中平板边界层采用 SWF（左）和 ScWF（右）

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图 10 使用 RKE 模型计算的平板上的斯坦顿数分布，其中平板边界层采用 SWF（左）和 ScWF（右）

注：湍流系列翻译自《Best Practice: RANS Turbulence Modelingin Ansys CFD》，作者F.R. Mentor，发布年份为2022年。

”

（待续）

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