搜索湍流模型選擇，必須方方面面都哇塞（LES篇）！
2017-03-12 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
采用OpenFOAM進(jìn)行的LES噴霧模擬
20世紀(jì)以來,CFD中的湍流模型選擇問題一直可謂踉踉蹌蹌。盡管如此,工程師們依然需要各種不同的半經(jīng)驗(yàn)常數(shù)甚至無經(jīng)驗(yàn)常數(shù)湍流模型來進(jìn)行模擬并還原真實(shí)世界的流動(dòng),當(dāng)然在這之中,需要大量的調(diào)試工作。
書接上文:湍流模型選擇,必須方方面面都哇塞(RANS篇)!
大量的公司要求提高他們CFD模擬的精準(zhǔn)度,期望可以省略實(shí)驗(yàn)步驟直接使用CFD模擬來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
計(jì)算機(jī)高度發(fā)展的今天,也加速推進(jìn)了大渦模擬(Large Eddy Simulation, LES)的步伐。
甚至出現(xiàn)了較為新型的分離渦模擬(Detached Eddy Simulation, DES)。
更為新奇的?
延遲分離渦模擬(Delayed Detached Eddy Simulation, DDES)
以及附加提高版壁面模型的延遲分離渦模擬(DDES with Improved wall-modeling capability, IDDES)
相對(duì)于它的小伙伴RANS幫派,LES幫派可以更加完美的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。
LES計(jì)算資源要求更高,對(duì)于高雷諾數(shù)的流動(dòng),LES對(duì)計(jì)算資源的要求目前大部分企業(yè)難以承擔(dān)。
RANS模型只是模擬湍流尺度,并不對(duì)渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。
LES和DES則不同,LES精確的解析湍流中的渦旋,只對(duì)于其中的小渦進(jìn)行?；?或者使用RANS的力量處理小渦結(jié)構(gòu)。
當(dāng)網(wǎng)格非常精細(xì)的時(shí)候,LES模型可以預(yù)測(cè)非常精準(zhǔn)的主流中的渦結(jié)構(gòu)。
還需要注意的是,對(duì)于壁面處,由于渦結(jié)構(gòu)小的不能再小,LES對(duì)壁面的處理力不從心。
“在氣動(dòng)聲學(xué)以及燃燒中,LES、DES以及相應(yīng)的變種的應(yīng)用非常廣泛。”Mann表示。
“DES是一種混合的RANS-LES方法,其用LES求解距離壁面較遠(yuǎn)的大渦結(jié)構(gòu),同時(shí)使用RANS處理近壁區(qū)。”
LES和DES現(xiàn)存的最大的困難就是如何降低過高的計(jì)算需求。
如果沒有大量的計(jì)算資源,或許RANS是你唯一的選擇。
但Corson表示“所有的RANS模型在高度分離流中的精度均有限”。
“目前我們使用最多的是Spalart-Allmaras DES模型,非常穩(wěn)定,并且對(duì)于高度分離流可以預(yù)測(cè)精準(zhǔn)的結(jié)果?！?/em>
“如果渦旋中的小渦非常重要,最好還是選用動(dòng)態(tài)亞格子LES模型,對(duì)于固定亞格子LES模型,目前還沒有發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)亞格子LES模型的缺點(diǎn)”
那么問題來了,
我們?cè)撊绾芜x擇湍流模型?
“在選擇一個(gè)湍流模型之前,我們需要知道,我們想要獲得什么樣的結(jié)果”Mann表示。
“這樣我們就可以從每個(gè)模型的優(yōu)缺點(diǎn)下手進(jìn)行擇優(yōu)選擇”。
比如我們要模擬飛機(jī)外部的空氣流場(chǎng)。Spalart-Allmaras(SA)或許是最好的選擇,因?yàn)槟壳耙呀?jīng)有大量的測(cè)試表明SA模型可以完美的對(duì)此類應(yīng)用進(jìn)行CFD模擬。
如果要進(jìn)行更深的研究,比如研究攻角,選擇SA模型則需要慎重。
“因?yàn)镾A模型會(huì)告訴你流線依然在尾部依附,但實(shí)際上分離流已經(jīng)產(chǎn)生”。Mann說。
近壁的網(wǎng)格分辨率也會(huì)影響湍流模型的選擇,因?yàn)楸诿娴耐牧鹘Y(jié)構(gòu)和主流中的湍流結(jié)構(gòu)完全不同。
在壁面的附近,渦旋變得各向異性并且在粘性支層內(nèi),流形演變?yōu)閷恿鳌?
如果網(wǎng)格在壁面很精細(xì),相應(yīng)的模型也需要對(duì)此進(jìn)行適配。
壁面函數(shù)的使用更好的對(duì)壁面模型進(jìn)行處理。
“每個(gè)湍流模型都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),選擇最適合你的那一個(gè)”Marra表示
“一些模型只適用于內(nèi)流場(chǎng),其他模型可以用于復(fù)雜幾何的外流場(chǎng)。某些情況下可能需要精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)曳力、升力以及熱通量?！?/em>
空中客車進(jìn)行CFD模擬的一個(gè)秘訣就是辨別主流的湍流特征,基于這些特征來選用模型。
一旦典型的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可以被模擬,那么就可以進(jìn)行復(fù)雜幾何的計(jì)算了。
不能保證復(fù)雜幾何的計(jì)算精度和典型流場(chǎng)的精度同樣精準(zhǔn)。但起碼這種方式具有一定的參考標(biāo)準(zhǔn)。
如果在有限的計(jì)算資源下仍然需要進(jìn)行非常昂貴的LES模擬怎么辦?
Marra建議最好使用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)來進(jìn)行精細(xì)的渦捕獲。
不過總的來說,正確的選擇模型是基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的。
一旦選擇了最好的湍流模型,你需要確保這些湍流模型在CFD軟件中是可用的。否則的話,你可能需要選擇一個(gè)開源的CFD軟件來自己植入。
比如世界最大的開源免費(fèi)CFD軟件:“OpenFOAM”。
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