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雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS) 方程

1895
  • Osborne Reynolds
使用雷诺平均纳维-斯托克斯方程进行流体力学分析的 19 世纪实验室。

(图片仅供参考)

雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程是描述湍流流体运动的时平均运动方程。这种方法被称为 雷诺兹 decomposition, separates flow variables into a mean and a fluctuating component. The averaging process introduces an additional term, the Reynolds stress tensor, which represents the effect of turbulence and must be modeled to achieve closure, making simulations computationally tractable.

RANS背后的核心思想是雷诺分解,即将瞬时量分解为其时间平均项和波动项。对于速度量,其表达式为:\overline{u}_i(x) + u’_i(x,t) 将此表达式代入纳维-斯托克斯方程并进行时间平均后,非线性对流项会产生新项:[latex] -\rho \overline{u’_i u’_j} [/latex],即雷诺应力张量。该张量代表湍流波动引起的动量净转移。.

The appearance of this unknown tensor leads to the ‘closure problem’ of turbulence: there are more unknowns than equations. To solve the system, the Reynolds stresses must be related to the mean flow quantities through a turbulence model. The most common approach is the Boussinesq hypothesis, which assumes the Reynolds stresses are proportional to the mean strain rate, introducing an ‘eddy viscosity’ or ‘turbulent viscosity’. This is analogous to how molecular viscosity relates stress to strain rate in laminar flow. Turbulence models, such as the popular k-ε (k-epsilon) and k-ω (k-omega) models, are sets of additional transport equations used to compute this eddy viscosity throughout the flow field. For example, the k-ε model solves for the turbulent kinetic energy (k) and its rate of dissipation (ε). RANS provides a good balance of accuracy and computational cost for many engineering applications, as it avoids the prohibitive expense of resolving all turbulent eddies directly.

UNESCO Nomenclature: 2205
– 流体力学

类型

抽象系统

中断

基础

用法

广泛使用

前体

  • 纳维-斯托克斯方程
  • 奥斯本·雷诺兹关于层流向湍流转变的实验
  • 统计力学和时间平均概念
  • 约瑟夫·布西内斯克的漩涡粘度假说

应用程序

  • 商用飞机机翼和机身的设计
  • 喷气发动机和涡轮机等涡轮机械的分析
  • 船体流体动力学设计
  • 内燃机的流动建模
  • 土木工程应用,例如建筑物的风荷载
  • 用于分析运动员和装备的空气动力学的运动科学

专利:

NA

潜在创新理念

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相关主题:湍流、湍流模型、雷诺应力、闭合问题、k-epsilon模型、k-omega模型、计算流体力学、湍流粘度。.

历史背景

雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS) 方程

1889
1890
1890
1895
1895
1896
1900
1888
1889
1890
1890
1895
1895
1899
1900

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

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