如果可以用幾個詞來概括湍流的本質，那一定包括：「三維」，「非定常」，「多尺度」。

湍流的本質導致了直接模擬湍流的計算代價非常大，為了能在有限的計算機資源下模擬湍流，前輩大牛們提出了幾種方法，包括了大渦模擬（LES）和雷諾平均（RANS）。

大渦模擬（LES）

大渦模擬（LES）基本思想是對NS方程進行某種過濾，大渦結構受流場影響較大，小渦則可視為各向同性，因此通過濾波處理將小渦從流暢過濾，只計算大渦，而小渦則使用統一的次網格尺度模型進行模擬，過濾尺度一般為網格尺度。

雷諾平均（RANS）

雷諾平均（RANS）基本思想是對NS方程進行（時間）平均，將非定常的湍流問題轉化為一個定常的問題研究。

對于模擬計算湍流，擅長 多相流分析的通用流體仿真軟件VirtualFlow提供基于雷諾時均（RANS）的湍流模型以及大渦模擬（LES），還提供了超大渦模擬（Very-large Eddy Simulation, V-LES）。這些模型均可以與多相流模型耦合。

超大渦模擬（V-LES）

超大渦模擬（V-LES）由Speziale（1998年）提出，并由Ruprechtet al. (2003年)與Johansen et.al.(2004年)進行了改進。

超大渦模擬（V-LES）結合了非定常U-RANS與LES的優點，可以精確求解大于網格大小尺度以上所有湍流尺度的運動，并使用基于U-RANS中k-e方程的兩個方程模擬小渦的運動。

超大渦模擬（V-LES）與大渦模擬（LES）的區別在于超大渦模擬（V-LES）的過濾尺度不再是網格尺度，而是介于網格尺度和宏觀尺度（如管道直徑）之間的一個值。當網格尺度大于過濾尺度時，超大渦模擬（V-LES）與雷諾時均（RANS）模型近似；當網格尺度接近過濾尺度時，超大渦模擬（V-LES）近似大渦模擬（LES）。因此，可以認為 V-LES是U-RANS與LES之間的過渡。

湍流模型(RANS, LES, V-LES)

• RANS：雷諾時均
• LES：可捕捉大于網格尺度的渦結構；Re~1 X 10 ⁴ - Re~ 1 X 10 ⁵

• V-LES：可捕捉大于某特征尺度（如管徑）的渦結構；Re > 1 X 10⁵ 

RANS（穩態/非穩態）

LES（3D, 非穩態）

V-LES （3D, 非穩態）

因此，超大渦模擬（V-LES）在效率與精確性的平衡上優于U-RANS與LES，可以廣泛應用于工業問題中的高Re數流動。

V-LES 模型 + IST 網格

燃料組件子通道中的流動與沸騰換熱

# 應用案例 #

燃料棒子通道的研究涉及到管束之間子通道的兩相流水力平衡。根據實驗搭建的幾何機構建模，并采用IST技術進行網格劃分，如圖1所示。

實驗裝置的尺寸：

燃料棒直徑：d = 16mm

燃料棒間距：p = 20 mm

間距與直徑之比：p / d = 1.25

間隙：S11 = S12 =S22 = 4mm

水力直徑：Dh = 14.3 mm

流通面積：A = 194 mm²

圖1 子通道幾何結構及IST網格

采用IST網格技術，可免去為每個管畫BFC網格的麻煩。CAD文件中的管曲面嵌入到笛卡爾均勻網格中，大大減少了網格傾斜引起的誤差。計算域長度減少到 L=120mm，管的長度減少到Lt=20mm。計算域的寬度設置為W=30 mm，由65x65x130個網格單元組成。

（注：該模擬僅是測試ITM方法對捕捉傳熱兩相流復雜界面變化的能力）

在預測BWR燃料棒束中冷卻劑的傳熱流動特性時，必須準確評估子通道之間的流動傳質。兩相系統中的傳質包括三個獨立部分：空泡漂移（voiddrift）、交錯流動（diversion cross-flow）和湍流混合（turbulent mixing）。該算例中包含了流體流動和傳熱的多尺度模擬，未考慮相變過程。

在此問題中，湍流對相界面的影響十分明顯，采用VirtualFlow軟件中V-LES模型進行計算。V-LES方法計算精度比RANS方法高，且計算時間比LES方法少，尤其適用于工業級計算模擬應用。

計算基于完全耦合（固相-氣相-液相）的傳熱方程，可以得到每根燃料組件之間的共軛傳熱分布。圖2及圖3展示的是在湍流情況下（進口速度UL=1 m/s，入流氣泡分數為50%）通道中氣液界面上的溫度分布，圖2為橫截圖，圖3為側視圖。

圖2 通道中氣液界面上的溫度分布（橫截面）

圖3 通道中氣液界面上的溫度分布（側視圖）

由于中心燃料棒位于相界面變化劇烈的區域，具有較高的放熱功率，相界面在流場的影響下變形劇烈，導致了管道的隨機換熱。

圖3很好地闡明了管束間兩相流的振動，特別是中間的管道的排熱率高。

通用流體仿真軟件VirtualFlow基于獨有的IST網格生成技術，結合分塊網格優化（BMR）和自適應網格技術（AMR），只需讀入固體對象的CAD文件即可自動生成直角坐標網格，每個子區域網格進行自動優化，既可快速生成計算網格，又可保證高階精度。

VirtualFlow軟件特有的超大渦模擬（V-LES）在效率與精確性的平衡上優于U-RANS與LES，更加適用于工業問題中的高Re數流動。

VirtualFlow主要應用領域包括：核工業、石油&天然氣、化工&過程工藝、水利與環境工程、航空航天、微流體等。核工業領域，VirtualFlow軟件可用于核安全分析和熱工水力模擬，目前應用于眾多大型研究課題。