搜索湍流模型选择，必须方方面面都哇塞（LES篇）！
2017-03-12 by:CAE仿真在线 来源:互联网
采用OpenFOAM进行的LES喷雾模拟
20世纪以来,CFD中的湍流模型选择问题一直可谓踉踉跄跄。尽管如此,工程师们依然需要各种不同的半经验常数甚至无经验常数湍流模型来进行模拟并还原真实世界的流动,当然在这之中,需要大量的调试工作。
书接上文:湍流模型选择,必须方方面面都哇塞(RANS篇)!
大量的公司要求提高他们CFD模拟的精准度,期望可以省略实验步骤直接使用CFD模拟来进行优化设计。
计算机高度发展的今天,也加速推进了大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)的步伐。
甚至出现了较为新型的分离涡模拟(Detached Eddy Simulation, DES)。
更为新奇的?
延迟分离涡模拟(Delayed Detached Eddy Simulation, DDES)
以及附加提高版壁面模型的延迟分离涡模拟(DDES with Improved wall-modeling capability, IDDES)
相对于它的小伙伴RANS帮派,LES帮派可以更加完美的非稳态流动。
LES计算资源要求更高,对于高雷诺数的流动,LES对计算资源的要求目前大部分企业难以承担。
RANS模型只是模拟湍流尺度,并不对涡结构进行解析。
LES和DES则不同,LES精确的解析湍流中的涡旋,只对于其中的小涡进行模化,或者使用RANS的力量处理小涡结构。
当网格非常精细的时候,LES模型可以预测非常精准的主流中的涡结构。
还需要注意的是,对于壁面处,由于涡结构小的不能再小,LES对壁面的处理力不从心。
“在气动声学以及燃烧中,LES、DES以及相应的变种的应用非常广泛。”Mann表示。
“DES是一种混合的RANS-LES方法,其用LES求解距离壁面较远的大涡结构,同时使用RANS处理近壁区。”
LES和DES现存的最大的困难就是如何降低过高的计算需求。
如果没有大量的计算资源,或许RANS是你唯一的选择。
但Corson表示“所有的RANS模型在高度分离流中的精度均有限”。
“目前我们使用最多的是Spalart-Allmaras DES模型,非常稳定,并且对于高度分离流可以预测精准的结果。”
“如果涡旋中的小涡非常重要,最好还是选用动态亚格子LES模型,对于固定亚格子LES模型,目前还没有发现动态亚格子LES模型的缺点”
那么问题来了,
我们该如何选择湍流模型?
“在选择一个湍流模型之前,我们需要知道,我们想要获得什么样的结果”Mann表示。
“这样我们就可以从每个模型的优缺点下手进行择优选择”。
比如我们要模拟飞机外部的空气流场。Spalart-Allmaras(SA)或许是最好的选择,因为目前已经有大量的测试表明SA模型可以完美的对此类应用进行CFD模拟。
如果要进行更深的研究,比如研究攻角,选择SA模型则需要慎重。
“因为SA模型会告诉你流线依然在尾部依附,但实际上分离流已经产生”。Mann说。
近壁的网格分辨率也会影响湍流模型的选择,因为壁面的湍流结构和主流中的湍流结构完全不同。
在壁面的附近,涡旋变得各向异性并且在粘性支层内,流形演变为层流。
如果网格在壁面很精细,相应的模型也需要对此进行适配。
壁面函数的使用更好的对壁面模型进行处理。
“每个湍流模型都有优点和缺点,选择最适合你的那一个”Marra表示
“一些模型只适用于内流场,其他模型可以用于复杂几何的外流场。某些情况下可能需要精准的预测曳力、升力以及热通量。”
空中客车进行CFD模拟的一个秘诀就是辨别主流的湍流特征,基于这些特征来选用模型。
一旦典型的流场结构可以被模拟,那么就可以进行复杂几何的计算了。
不能保证复杂几何的计算精度和典型流场的精度同样精准。但起码这种方式具有一定的参考标准。
如果在有限的计算资源下仍然需要进行非常昂贵的LES模拟怎么办?
Marra建议最好使用网格自适应技术来进行精细的涡捕获。
不过总的来说,正确的选择模型是基于实践经验的。
一旦选择了最好的湍流模型,你需要确保这些湍流模型在CFD软件中是可用的。否则的话,你可能需要选择一个开源的CFD软件来自己植入。
比如世界最大的开源免费CFD软件:“OpenFOAM”。
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