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:互聯網
采用OpenFOAM進行的LES噴霧模擬
20世紀以來,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驗常數甚至無經驗常數湍流模型來進行模擬并還原真實世界的流動,當然在這之中,需要大量的調試工作。
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模擬的精準度,期望可以省略實驗步驟直接使用CFD模擬來進行優化設計。
計算機高度發展的今天,也加速推進了大渦模擬(Large Eddy Simulation, LES)的步伐。
甚至出現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)
相對于它的小伙伴RANS幫派,LES幫派可以更加完美的非穩態流動。
LES計算資源要求更高,對于高雷諾數的流動,LES對計算資源的要求目前大部分企業難以承擔。
RANS模型只是模擬湍流尺度,并不對渦結構進行解析。
LES和DES則不同,LES精確的解析湍流中的渦旋,只對于其中的小渦進行模化,或者使用RANS的力量處理小渦結構。
當網格非常精細的時候,LES模型可以預測非常精準的主流中的渦結構。
還需要注意的是,對于壁面處,由于渦結構小的不能再小,LES對壁面的處理力不從心。
“在氣動聲學以及燃燒中,LES、DES以及相應的變種的應用非常廣泛。”Mann表示。
“DES是一種混合的RANS-LES方法,其用LES求解距離壁面較遠的大渦結構,同時使用RANS處理近壁區。”
LES和DES現存的最大的困難就是如何降低過高的計算需求。
如果沒有大量的計算資源,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,非常穩定,并且對于高度分離流可以預測精準的結果。”
“如果渦旋中的小渦非常重要,最好還是選用動態亞格子LES模型,對于固定亞格子LES模型,目前還沒有發現動態亞格子LES模型的缺點”
那么問題來了,
我們該如何選擇湍流模型?
“在選擇一個湍流模型之前,我們需要知道,我們想要獲得什么樣的結果”Mann表示。
“這樣我們就可以從每個模型的優缺點下手進行擇優選擇”。
比如我們要模擬飛機外部的空氣流場。Spalart-Allmaras(SA)或許是最好的選擇,因為目前已經有大量的測試表明SA模型可以完美的對此類應用進行CFD模擬。
如果要進行更深的研究,比如研究攻角,選擇SA模型則需要慎重。
“因為SA模型會告訴你流線依然在尾部依附,但實際上分離流已經產生”。Mann說。
近壁的網格分辨率也會影響湍流模型的選擇,因為壁面的湍流結構和主流中的湍流結構完全不同。
在壁面的附近,渦旋變得各向異性并且在粘性支層內,流形演變為層流。
如果網格在壁面很精細,相應的模型也需要對此進行適配。
壁面函數的使用更好的對壁面模型進行處理。
“每個湍流模型都有優點和缺點,選擇最適合你的那一個”Marra表示
“一些模型只適用于內流場,其他模型可以用于復雜幾何的外流場。某些情況下可能需要精準的預測曳力、升力以及熱通量。”
空中客車進行CFD模擬的一個秘訣就是辨別主流的湍流特征,基于這些特征來選用模型。
一旦典型的流場結構可以被模擬,那么就可以進行復雜幾何的計算了。
不能保證復雜幾何的計算精度和典型流場的精度同樣精準。但起碼這種方式具有一定的參考標準。
如果在有限的計算資源下仍然需要進行非常昂貴的LES模擬怎么辦?
Marra建議最好使用網格自適應技術來進行精細的渦捕獲。
不過總的來說,正確的選擇模型是基于實踐經驗的。
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開源的CFD軟件來自己植入。
比如世界最大的開源免費CFD軟件:“OpenFOAM”。
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