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 zgqinghai 2018-04-13

大涡模拟(LES)基本思想是:紊流的流动是由许多大小不同尺度的旋涡组成,大尺度的涡对平均流动影响较大,各种变量的紊流扩散、热量、质量和能量的交换以及雷诺应力的产生都是通过大尺度的涡来实现的,而小尺度的涡主要对耗散起作用,通过耗散脉动来影响各种变量。因而大涡模拟是把包括脉动运动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺度涡和小尺度涡两部分,大尺度涡通过N-S方程直接求解,小尺度涡通过亚网格尺度模型,建立与大尺度涡的关系对其进行模拟。
    数值实验证明雷诺时均方法在模拟复杂流动现象如涡脱落、浮力影响、流线弯曲、旋转和压缩运动时会遇到难以克服的困难,对台阶后回流长度的预测总是偏大等,而LES在复杂流动的模拟中可以得到很多雷诺时均方法无法获得的紊流运动的细微结构和流动图像。
    与雷诺平均模型相比,大涡数值模拟的亚格子模型具有较大的普适性。湍流大涡数值模拟方法中需要封闭的量是亚格子应力,它和大尺度脉动的相关微弱。亚格子应力是不可解小尺度脉动和可解尺度之间的动量交换,它和强烈依赖于流动边界的大尺度脉动相关性很小,因此合理的亚格子模型将有较大的普适性。
湍流大涡数值模拟可以获得流动的动态特性,而雷诺平均模型只能提供定常的气动力特性。湍流大涡数值模拟的解包含大于过滤尺度的所有脉动,由此可以获得速度谱以及气动力谱等,这些动态气动力特性对于近代航天器设计是十分重要的。
    说一下对壁面的模拟,如果选的网格尺度较小,可以模拟出壁面涡的生成,目前国内对LES研究较多的是清华和南航,我试了我们这儿仅两个cpu的服务器就能算200万的网格。
这儿向大家推荐一篇文章,可能有人已经看过,我相信不管大家做哪个方向,只要是做湍流,或多或少都有收获,张兆顺在第六届流体力学大会上做的报告--走近湍流。


FLUENT大涡模拟的相关知识  

用N-S方程描述大涡,用亚格子尺度模型描述小涡耗散和对大涡的反馈,通过在N-S方程中加入附加应力(亚格子应力)表示;

    大涡模拟的过程:先把小尺度脉动用滤波的方式过滤,得到大尺度运动的控制方程(滤波后的),再向方程中引入亚格子尺度附加应力项。然后求解N-S方程,在fluent中,有四种亚格子模型:Smargorinsky_Lily模式,Smargorinsky_Lily动力模式,WALE(Wall-adapting Local Eddy Viscosity Model)模式和Kinetic-Energy Transport动力模式;小涡的尺度与滤波有关系,常用的有:谱空间低通滤波,物理空间盒式滤波和高斯滤波。(这部分没看懂,也没找到盒式的资料,希望大虾们给点提示)大涡模拟对网格要求很高,想得到准确的尾流流场,尽可能采用结构网格;
大涡模拟中关于边界层的处理:
(1)对于使用了壁面函数(标准壁面和非平衡壁面),y+一般要求在30到300之间,其中接近30最可取。
(2)对于增强型壁面,y+最好在1以下,the y+ is between 4 and 5 is also acceptable。
(3)不管对于那种壁面函数,y+最好不要落在5~30之间。
(4)查看壁面y+,可以在display -contour-turbulent-wall y plus 下查看。
(5)关于y+的估算,http://geolab.larc./APPS/YPlus/这个网站上有计算公式。
(6)通过加密壁面网格可以使y+减小,最好的方式是通过画边界层。
Y+不是第一层的高度,而是第一层高度的一半,因为现在的Fluent 和 CFX都是利用有限体积法来求解的,这种方法是保存所有中心点的所有矢量值得,所以画网格的时候需要把预计的Y+ 乘以2之后才得到第一层的高度值。
for Hexa mesh, ==>Y+是第一层高度一半和 viscous length scale 的比值
for Tetra mesh==>Y+是第一层高度1/3和 viscous length scale 的比值
     viscous length scale = Kenematic viscosity/(Friction velocity)
     where Friction velocity is defined as sqrt(wall shear stress/Density)

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