1.4 湍流模型

層流和湍流是流體運動的兩種基本形式。1883年，雷諾揭示了黏性流動這兩種不同本質的流動形態。自此，世界各國學者對湍流進行了持續研究，取得不少進展，解決了很多工程領域的難題。但由于湍流運動極其復雜，其基本機理至今未能完全掌握，而且不能準確地定義并定量地給出湍流的運動特性。目前，一般將湍流的主要特征歸結為隨機性、擴散性、有渦性和耗散性。

湍流出現在速度變動的地方，這種波動引起流體介質之間動量、能量和濃度的變化，而且引起了數量的波動。由于這種波動是小尺度、高頻率的，所以在實際工程計算中直接模擬的話對計算機的要求會很高。實際上，瞬時控制方程可能在時間上、空間上是均勻的，或者可以人為地改變尺度，這樣修改后的方程耗費較少的計算機資源。但是，修改后的方程可能包含有我們所不知的變量，湍流模型需要用已知變量來確定這些變量，目前能夠用于工程計算的湍流數值計算方法是雷諾平均方法，即只計算大尺度平均流動，所有湍流脈動對平均流動的作用，用湍流模式理論加以封閉，使計算量大為減少。在各種湍流模式中，渦黏性湍流模型在工程計算中應用尤為廣泛，但由于目前的湍流模型基本上都是基于低速不可壓縮模式發展的，工程中一般選用廣為應用的標準k-ε模型。

湍流流動受壁面影響很大，很明顯平均流動區域將由于壁面不光滑而受到影響。當然，湍流還受到壁面產生的其他影響。在離壁面很近的地方，黏性力將抑制流體切線方向速度的變化，而且流體運動受壁面阻礙從而抑制了正常的波動。

在近壁面的外部區域，湍流動能受平均流速的影響而增大，湍流運動加劇。大渦模擬（LES）模型僅適用于湍流核心區域（一般都遠離壁面），應該考慮怎樣使這些模型適用于壁面邊界層處的流動。如果近壁面的網格劃分足夠好，Spalart-Allmaras和k-ω模型可以解決邊界層的流動。