Constructing turbulence models using the kinetic Fokker–Planck equation

福克-普朗克方程 湍流 物理 统计物理学 动能 湍流动能 K-omega湍流模型 Kε湍流模型 经典力学 机械 微分方程 量子力学
作者
Peng Luan,Haoyuan Zhang,Jun Zhang
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:1011 被引量:3
标识
DOI:10.1017/jfm.2025.323
摘要

This study presents a novel approach for constructing turbulence models using the kinetic Fokker–Planck equation. By leveraging the inherent similarities between Brownian motion and turbulent dynamics, we formulate a Fokker–Planck equation tailored for turbulence at the hydrodynamic level. In this model, turbulent energy plays a role analogous to temperature in molecular thermodynamics, and the large-scale structures are characterised by a turbulent relaxation time. This model aligns with the framework of Pope’s generalised Langevin model, with the first moment recovering the Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) equations, and the second moment yielding a partially modelled Reynolds stress transport equation. Utilising the Chapman–Enskog expansion, we derive asymptotic solutions for this turbulent Fokker–Planck equation. With an appropriate choice of relaxation time, we obtain a linear eddy viscosity model at first order, and a quadratic Reynolds stress constitutive relationship at second order. Comparative analysis of the coefficients of the quadratic expression with typical nonlinear viscosity models reveals qualitative consistency. To further validate this kinetic-based nonlinear viscosity model, we integrate it as a RANS model within computational fluid dynamics codes, and calculate three typical cases. The results demonstrate that this quadratic eddy viscosity model outperforms the linear model and shows comparability to a cubic model for two-dimensional flows, without the introduction of ad hoc parameters in the Reynolds stress constitutive relationship.
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