可实现k-ε模型 — 故障排除
更多详细内容请参阅 k-epsilon-realizable.html。
典型故障
在可实现k-ε中容易遇到的故障有哪些？
1. 旋转区域中的非物理乱流粘性
症状: 在MRF或Sliding Mesh界面附近 $\mu_t/\mu$ 超过 $10^5$。
原因: 旋转坐标系中的涡度包含框架旋转分量，导致$C_\mu$ 计算中 $U^*$ 被过度估计。
对策:
- 检查Fluent中
/define/models/viscous/turbulence-expert/turb-non-newtonian no设置 - 验证旋转系坐标变换是否正确设置
- 改进界面附近的网格质量
2. $\varepsilon$ 方程中$\sqrt{\nu\varepsilon}$项的行为
分母中有 $k + \sqrt{\nu\varepsilon}$ 项，这在数值上会产生问题吗？
症状: 在非常低的Reynolds数区域中 $\varepsilon$ 的收敛很慢。
原因: 在 $k \to 0$ 的区域中 $\sqrt{\nu\varepsilon}$ 项占主导地位，方程的性质改变。
对策:
- 将k和$\varepsilon$的松弛因子降低到0.6左右
- 如果低Reynolds数区域很广，考虑使用SST k-ω
3. 喷流/混合层的非对称解
为什么对称的问题会产生非对称解？
症状: 在轴对称喷流分析中，经过充分迭代后解仍为非对称。
原因: 网格的微小非对称性与Realizable的非线性相结合，可能导致分岔解。
对策:
- 严格保证网格的对称性（使用镜像网格）
- 如果可能，用2D轴对称(axisymmetric)求解
- 设置对称初始条件
4. 从标准k-ε切换时的注意事项
将现有的标准k-ε计算改为可实现k-ε时有什么要注意的？
步骤:
1. 使用标准k-ε的收敛解作为基础（作为初始条件很有效）
2. 将模型更改为可实现k-ε
3. 前100步迭代使用略低的松弛因子（$k$, $\varepsilon$: 0.6）
4. 残差稳定后恢复松弛因子
5. 进行充分迭代直到获得新的定常解
$C_\mu$ 将随单元变化，所以 $\mu_t$ 分布会改变，速度场也会变化。定性流动模式可能也会改变，所以必须谨慎检查结果。
可变C_μ趋于零——可实现性的意外数值问题
可实现k-ε中的可变C_μ 依赖于流动的应变和涡度大小，但在强旋转流（例如泵叶片间流）中C_μ会变得非常小，涡粘性实际上接近零。在这种状态下，湍流扩散失效，数值噪声残留，导致收敛恶化。解决方法是在求解器选项中设置C_μ的下限值（limiter），但该值的选择没有理论上的正确答案，实际工程中的惯例是"只要收敛就可以用该值"。理论上优雅的模型在实现和运行中往往伴随着务实的妥协。
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