大渦模擬
關(guān)注創(chuàng)建者：春風(fēng)乍起 創(chuàng)建時(shí)間：2019-03-07
大渦模擬的視頻教程
基于fluent的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴流場(chǎng)（LES大渦模擬）仿真，視頻免費(fèi)無(wú)聲音，提供附件（需購(gòu)買(mǎi)）練習(xí)。
基于fluent的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴流場(chǎng)（LES大渦模擬）仿真，模型為三維模型，視頻免費(fèi)無(wú)聲音，提供附件（需購(gòu)買(mǎi)）練習(xí)。
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大渦模擬(LES)與雷諾時(shí)均模擬(RANS)效果比較
向后臺(tái)階處的湍流剪切層是應(yīng)用于在工業(yè)燃燒器中混合的重要流動(dòng)結(jié)構(gòu)。 使用LES在3D中對(duì)湍流剪切層進(jìn)行了仿真，并且對(duì)LES結(jié)果進(jìn)行了時(shí)間平均，以得出與RANS模型相似的結(jié)果。 視頻幫助我們理解在得到RANS模型結(jié)果時(shí)，實(shí)際的瞬態(tài)流動(dòng)狀態(tài)。 微信公眾號(hào)：CFD控 知乎公眾號(hào)：CFD控制
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大渦模擬的實(shí)例教程
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</div><p><br></p><p> 渦流隨著攪動(dòng)產(chǎn)生，攪動(dòng)源消失后大渦逐漸破碎為小渦，小渦再破碎為更小的“迷你渦”，然后逐漸耗散。大渦模擬是介于直接數(shù)值模擬和湍流模式理論之間的折衷，描述了破碎耗散的過(guò)程。</p><p> Comsol提供了LES RBVM大渦模擬模塊</p><div contenteditable="false" width="100%"><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202106/3c954f6a83134929a2dbf9ab5722ccc2.png" title="QQ圖片20210605100521.png" alt="QQ圖片20210605100521.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202106/3c954f6a83134929a2dbf9ab5722ccc2.png?image_process=/format,webp/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202106/3c954f6a83134929a2dbf9ab5722ccc2.png?
展開(kāi) 因此，一種對(duì)湍流流動(dòng)時(shí)間、空間尺度均足夠精確的大渦模擬方法（LES）在業(yè)界逐步推廣，成為目前分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣動(dòng)熱力特征的先進(jìn)工具之一。
然而，航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件之間的氣動(dòng)熱力狀態(tài)，包括溫度、壓力、馬赫數(shù)（Ma）、雷諾數(shù)(Re)等，差異極大，導(dǎo)致多部件耦合的氣動(dòng)熱力仿真除了要具備寬速域、可壓縮的求解方法外，還須結(jié)合實(shí)際物理特征，建立恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型。在葉輪機(jī)械中，葉片表面邊界層轉(zhuǎn)捩、分離以及通道中二次流、端壁間隙流是主要流動(dòng)現(xiàn)象，因此數(shù)值仿真中須建立恰當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ团c近壁面條件；在燃燒室中，大尺度旋流、剪切與回流用于強(qiáng)化燃料與空氣摻混與穩(wěn)定火焰，因此數(shù)值仿真中須充分評(píng)估流動(dòng)、混合與化學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度的差異，建立微尺度下流動(dòng)與燃燒耦合作用的燃燒模型。當(dāng)前，上述主要計(jì)算方法在各部件的獨(dú)立仿真中均有著長(zhǎng)足發(fā)展、日趨成熟。例如，法國(guó)歐洲科學(xué)計(jì)算研究中心（CERFACS）在2009年開(kāi)展了環(huán)形燃燒室大渦模擬，在2019開(kāi)展了3級(jí)壓氣機(jī)的大渦模擬。
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，為進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)內(nèi)流的認(rèn)識(shí)，科學(xué)研究率先嘗試進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)氣動(dòng)熱力流場(chǎng)的仿真。2003—2006年，斯坦福大學(xué)針對(duì)PW6000整機(jī)內(nèi)流開(kāi)展仿真計(jì)算，在其研究中，采用可壓縮的雷諾時(shí)間平均方法（URANS）模擬壓氣機(jī)和渦輪內(nèi)流，采用不可壓縮大渦模擬方法模擬燃燒室流動(dòng)。這一嘗試在當(dāng)時(shí)是突破性的技術(shù)研究，但是由于需要在旋轉(zhuǎn)部件與燃燒室之間進(jìn)行仿真方法的切換，導(dǎo)致部件之間的湍流特征時(shí)間尺度并不一致，因此該工作所開(kāi)展的多部件耦合仿真，只是幾何流道耦合，而不是流場(chǎng)的物理過(guò)程耦合。
最近10年，大規(guī)模高性能并行計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展為發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)耦合仿真帶來(lái)了新的契機(jī)。
展開(kāi) 導(dǎo)讀：介紹大渦模擬。
大渦模擬（Large eddy simulation，LES）是介于直接數(shù)值模擬（DNS）和Reynolds平均法之間的一種數(shù)值模擬方法。
基本思想
湍流包含一系列大大小小的渦團(tuán)，渦尺度范圍很大，我們希望計(jì)算網(wǎng)格的尺度可以小到足以分辨最小渦的運(yùn)動(dòng)給，但是目前所采用的最小尺度計(jì)算網(wǎng)格仍比最小渦大得多。
大尺度渦決定了系統(tǒng)中動(dòng)量、質(zhì)量、能量及其他物理量的輸運(yùn)，并且大尺度渦與所求解問(wèn)題、幾何和邊界密切相關(guān)。小尺度渦幾乎不受幾何和邊界的影響，它趨向于各向同性，且運(yùn)動(dòng)具有共性。目前只能放棄全尺度范圍上渦的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)模擬，只將比網(wǎng)格尺度大的湍流運(yùn)動(dòng)通過(guò)瞬時(shí)N-S方程計(jì)算出來(lái)，小尺度渦對(duì)大尺度渦的影響則通過(guò)一定的模型在針對(duì)大尺度渦的瞬時(shí)N-S方程體現(xiàn)出來(lái)，這就是大渦模擬方法。
如何實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)大渦模型，有兩個(gè)重要環(huán)節(jié)：
首先是建立數(shù)學(xué)濾波模型，從湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方程中將尺度比濾波函數(shù)的尺度小的渦過(guò)濾掉，從而分解出描寫(xiě)大渦流的方程。
其次就是考慮被濾掉的小渦對(duì)大渦的影響，則通過(guò)大渦流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方程中引入附加應(yīng)力項(xiàng)來(lái)體現(xiàn)，被稱為亞格子尺度應(yīng)力。這個(gè)數(shù)學(xué)模型稱為亞格子尺度模型（SubGrid-Scale model，SGS模型）。
數(shù)學(xué)模型
（1）大渦運(yùn)動(dòng)方程在LES方法中，通過(guò)濾波函數(shù)，每個(gè)變量都被分為兩部分：
大尺度的平均分量 -這部分是濾波后的變量，是模擬中直接計(jì)算的部分；
不尺度變量-需要通過(guò)模型來(lái)表示。
這里的是濾波后的變量，它不是時(shí)間域上的平均，而是在空間域上的平均，
可以通過(guò)下式得到：
式中D為流動(dòng)區(qū)域；x為空間坐標(biāo)；為濾波函數(shù)，決定了所求解的渦的尺度。
展開(kāi) 何為大渦模擬？
在上一篇文章CFD在土木工程中的應(yīng)用系列（二）——淺談脈動(dòng)風(fēng)速入口生成方法中，Ton君已經(jīng)描述了大渦模擬（LES）的一般概念。所謂大渦模擬，實(shí)際上是一種湍流模型。在CFD求解過(guò)程中，我們希望將研究問(wèn)題求解得越清楚詳細(xì)越好，這樣就需要捕捉流體行為的細(xì)節(jié)。下圖1摘自文獻(xiàn)Thordal M S, Bennetsen J C, Koss H H H. Review for practical application of CFD for the determination of wind load on high-rise buildings[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019, 186: 155-168。由圖可以看出，直接數(shù)值模擬（DNS）理論上能夠求解能譜的所有波段，能夠捕捉到最小的旋渦，但是DNS計(jì)算需要足夠精細(xì)的網(wǎng)格和超強(qiáng)的計(jì)算能力，目前在科研領(lǐng)域也僅適用于低雷諾數(shù)計(jì)算，在工程領(lǐng)域的應(yīng)用則更加鳳毛麟角。在高層建筑抗風(fēng)研究中，得到建筑表面風(fēng)壓時(shí)程是至關(guān)重要的。CFD作為風(fēng)洞試驗(yàn)的輔助乃至替代手段，必須能夠解析建筑表面風(fēng)荷載的隨機(jī)時(shí)程序列。鑒于此，雷諾平均（RANS）方法并不適用于研究此類問(wèn)題，因?yàn)镽ANS方法從原理上無(wú)法求解流場(chǎng)的隨機(jī)脈動(dòng)成分，僅在求解平均流場(chǎng)和平均風(fēng)荷載方面有一定的適用性。大渦模擬（LES）的求解尺度鑒于二者之間，顧名思義，大渦模擬僅求解“大渦”，對(duì)于“小渦”則采用亞格子模型求解。
展開(kāi) 計(jì)算策略
為了加速大渦模擬計(jì)算收斂，這里分兩步進(jìn)行：
首先利用SST
k-w進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，開(kāi)啟的物理模型如下圖所示：
△ 穩(wěn)態(tài)計(jì)算物理模型
當(dāng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂后，開(kāi)啟大渦模擬，利用
Smagorinsky亞格子模型開(kāi)張瞬態(tài)計(jì)算，瞬態(tài)計(jì)算物理模型如下圖所示。時(shí)間離散采用二階格式，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.05 s，內(nèi)迭代步數(shù)為10，最大計(jì)算物理時(shí)間為10 s。
△ 瞬態(tài)計(jì)算物理模型
計(jì)算結(jié)果
本文模擬的工況點(diǎn)是航速10節(jié)，通過(guò)大渦模擬得到的潛艇阻力約為277 N，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為283.3 N，相對(duì)誤差為2.2%，精度還是相當(dāng)不錯(cuò)的。
△ 潛艇阻力監(jiān)測(cè)圖
下圖為潛艇航行過(guò)程的速度云圖。
△ 速度云圖
本文到此結(jié)束，有興趣的同學(xué)可以下載對(duì)應(yīng)的模型，練練手！
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文章來(lái)源：CFD日記
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大渦模擬的最新內(nèi)容
采用LBM求解器（ultralight）進(jìn)行高精度瞬態(tài)LES大渦模擬，開(kāi)啟GPU加速，設(shè)置虛擬風(fēng)洞參數(shù)（地面移動(dòng)系統(tǒng)、輪胎旋轉(zhuǎn)等），精準(zhǔn)模擬車身周圍流場(chǎng)分布。
3.
大田韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院和Ansys正在制定計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法和最佳實(shí)踐，以利用大渦模擬仿真（LES）預(yù)測(cè)氫甲烷混合火焰的火焰結(jié)構(gòu)。
韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院燃燒動(dòng)力學(xué)與診斷實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的研究
KAIST CDDL正在研究重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室、飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室及雙推進(jìn)劑液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的低頻及高頻燃燒不穩(wěn)定性。
航海領(lǐng)域仿真計(jì)算全景解析4個(gè)月前
content_id=268303671&content_type=Article&match_order=1&q=URANS&zhida_source=entity" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="color: rgb(9, 64, 142);">URANS</a></p><p><br></p><p>LES（大渦模擬
根據(jù)求解精度和需求，會(huì)采用不同的湍流模型，如RANS（雷諾平均）、LES（大渦模擬）或DNS（直接數(shù)值模擬）。
-計(jì)算特點(diǎn):
網(wǎng)格規(guī)模巨大: 為精確捕捉激波、附面層等流動(dòng)細(xì)節(jié)，網(wǎng)格數(shù)量可達(dá)數(shù)千萬(wàn)甚至數(shù)億。內(nèi)存帶寬敏感: 求解過(guò)程需要頻繁訪問(wèn)網(wǎng)格數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)存帶寬要求極高。求解大型稀疏線性方程組: 速度和壓力場(chǎng)的耦合求解（如SIMPLE算法）是核心計(jì)算負(fù)載。
喜報(bào)︱國(guó)產(chǎn)超算賦能航發(fā)仿真，無(wú)錫超算神工坊團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目榮獲上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)！6個(gè)月前
深厚積累：神工坊?團(tuán)隊(duì)的航發(fā)仿真研發(fā)之路
2023年，國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)參與的研究課題——《基于神威超算的超大規(guī)模高精度航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)模擬》獲ACM“戈登·貝爾”獎(jiǎng)提名，證明了利用大渦模擬來(lái)解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜流動(dòng)的可行性，標(biāo)志著我國(guó)在航發(fā)整機(jī)高精度模擬方面邁入國(guó)際先進(jìn)行列。
主要涉及到二維模型LES大渦模擬的開(kāi)啟、FW-H模型的使用。計(jì)算模型簡(jiǎn)單，為氣動(dòng)噪聲常用的驗(yàn)證模型。通過(guò)對(duì)該案例的學(xué)習(xí)，后續(xù)可以通過(guò)該方法對(duì)各類航空航天、船舶等領(lǐng)域的氣動(dòng)噪聲展開(kāi)預(yù)報(bào)。
</p><p class="ql-align-justify"> （3）湍流模型：</p><p class="ql-align-justify"> 選用<strong>Smagorinsky模型</strong>，它是一種簡(jiǎn)單的大渦模擬模型，且易于在格子玻爾茲曼方法中實(shí)現(xiàn)。
一期一會(huì) | 什么是湍流？8個(gè)月前
大多數(shù)的SRS應(yīng)用都會(huì)采用大渦模擬（LES）模型，用于求解較大渦旋，同時(shí)對(duì)較小渦流進(jìn)行單獨(dú)建模處理。
LES模型現(xiàn)已經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的改進(jìn)和驗(yàn)證。然而，它們需要更長(zhǎng)的求解時(shí)間和更大的數(shù)值模型，因此，直到計(jì)算機(jī)性能近期實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)，它們才會(huì)得到如此頻繁的使用。與RANS模型相比，LES模型需要更多的網(wǎng)格單元、更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。
CFD專欄丨ultraFluidX 動(dòng)力艙熱仿真8個(gè)月前
LES 大渦模擬準(zhǔn)確捕捉流動(dòng)細(xì)節(jié)。LBM 法直接求解溫度方程，無(wú)須耦合其他求解器。</p><p><br></p><p><strong>2.3 快速設(shè)計(jì)迭代</strong></p><p><br></p><p>設(shè)計(jì)變動(dòng)，如調(diào)整格柵或風(fēng)扇，僅須替換部件，參數(shù)設(shè)置，格子生成，求解，后處理報(bào)告生成完全批處理自動(dòng)化。
ultraFluidX 動(dòng)力艙熱仿真8個(gè)月前
LES 大渦模擬準(zhǔn)確捕捉流動(dòng)細(xì)節(jié)。LBM 法直接求解溫度方程，無(wú)須耦合其他求解器。
2.3 快速設(shè)計(jì)迭代
設(shè)計(jì)變動(dòng)，如調(diào)整格柵或風(fēng)扇，僅須替換部件，參數(shù)設(shè)置，格子生成，求解，后處理報(bào)告生成完全批處理自動(dòng)化。
傳統(tǒng) CFD 模型的面網(wǎng)格
LBM 求解器的面網(wǎng)格
3 傳統(tǒng)網(wǎng)格法 CFD vs.
