撞流热传递 — CFD的典型问题与对策

这是撞流CFD中最常见的问题。原因是乱流模型对撞流域乱流能生成的过度评估。让我按优先顺序排列对策。

(1) 变更乱流模型：标准k-ε → SST k-ω → v2f（Fluent）/ EB k-ε（STAR-CCM+）的顺序尝试。(2) 应用Kato-Launder修正：在Fluent中启用乱流模型选项中的Production Limiter。在STAR-CCM+中打开Realizability修正。(3) 尝试RSM（Reynolds Stress Model）：计算成本增加，但可以直接处理撞流域的各向异性。

将标准乱流能生成项 $P_k = \mu_t S^2$ 替换为 $P_k = \mu_t S \Omega$（$S$ 为应变速率，$\Omega$ 为涡度）。在撞流域中，$S$ 很大但 $\Omega$ 很小，所以生成项被抑制。这个修正很简单但效果显著。

可能是交叉流（使用过的撞流积累并干扰新撞流的效应）没有正确建模。检查一下计算域的出口边界条件。出口距离过近会导致交叉流积累不足。另外，RANS往往低估交叉流对撞流的偏转。对于阵列撞流的精确预测，LES是有效的。

撞流的壁面附近速度和温度梯度很陡峭，所以网格依赖性很明显。应该用3个以上网格密度进行Richardson外推，使GCI（网格收敛指数）在5%以内。特别是撞流点附近的壁面平行方向网格经常不足。撞流域应确保 $\Delta r / D < 0.03$ 的目标。

当 $y^+$ 远小于1（$y^+ < 0.1$）时，ω方程的壁面边界值变得很大，数值上容易不稳定。在Fluent中，尝试将ω的松弛因子降低到0.6左右。STAR-CCM+的All y+ Wall Treatment根据 $y^+$ 值自动调整，相对稳定。