建筑风环境数值模拟常用湍流模型梳理

一、湍流数值模拟方法

其中，直接数值模拟（DNS）和大涡模拟(LES) 计算结果还可以，但需要较高的计算机配置和计算时间。

雷诺平均模型（RANS）中，常用的有雷诺应力模型（RSM）和两方程模型（包括k-Epsilon和k-Omega）模型。两方程模型计算速度和耗费的资源较少，应用较为广泛，其中包括k-Epsilon模型和k-Omega模型。

二、两方程模型

2.1 k-Epsilon模型

k-Epsilon模型包括标准k-Epsilon（Standard K-Epsilon Model），可实现的 k-Epsilon（Realizable K-Epsilon Model，RKE），重整化群k-e模型 （Renormailization-group，RNGKE）等。另外还包括低雷诺数模型（Low-Reynolds Number K-Epsilon）和高雷诺数模型，在壁面函数法又包括单层、两层、三层等。

k-ε模型包括低雷诺数模型、高雷诺数模型，其中高雷诺数模型在距离壁面很近的粘性支层中无法考虑分子粘性的影响，而对计算结果产生影响，需要配合壁面函数法来处理壁面附近的计算。壁面函数法又包括单层、两层、三层模型。

2.2 k-Omega模型

k-Omega模型包括标准k-Omega模型和剪切压力传输k-Omega模型 （SST K-Omega Model）。

SST k-o 模型和标准k- o模型相似，但有以下改进:

●SST k-o模型和k-e模型的变形增长于混合功能和双模型加在一-起。混合功能是为近壁区域设计的，这个区域对标准k- o模型有效，还有自由表面，这对k-e模型的变形有效。

●SST k-o模型合并了来源于o方程中的交叉扩散。

●湍流粘度考虑到了湍流剪应力的传波。

●模型常量不同.

这些改进使得SST k-o模型比标准k- o模型在在广泛的流动领域中有更高的精度和可信度。

三、几个计算模型的比较

修正的k-e模型比标准k-e模型耗费稍微多一些计算资源。由于控制方程中额外的功能和非线性，RNG k-e模型比标准k-e模型多消耗10-15%的CPU时间。就像k-e模型，k-o模型也是两个方程的模型，所以计算时间相当。

比较一下k-e模型和k-o模型，RSM模型因为考虑了雷诺压力而需要更多的CPU时间。然而高效的程序大大的节约了CPU时间。RSM模型比k-e模型和k-o模型要多耗费50-60%的CPU时间，还有15-20%的内存。

除了时间，湍流模型的选择也影响数值模拟的计算。比如标准k-e模型是专为轻微的扩散设计的，然而RNG k-e模型是为高张力引起的湍流粘度降低而设计的。这就是RNG模型的缺点。

同样的，RSM模型需要比k-e模型和A-w模型更多的时间因为它要联合雷诺压力和层流。