大渦模擬的案例
Comsol大渦模擬煙霧破碎耗散
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</div><p><br></p><p> 渦流隨著攪動產生，攪動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值模擬和湍流模式理論之間的折衷，描述了破碎耗散的過程。</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 航空發動機內流全場流動的大渦模擬
因此，一種對湍流流動時間、空間尺度均足夠精確的大渦模擬方法（LES）在業界逐步推廣，成為目前分析航空發動機內部氣動熱力特征的先進工具之一。
然而，航空發動機各部件之間的氣動熱力狀態，包括溫度、壓力、馬赫數（Ma）、雷諾數(Re)等，差異極大，導致多部件耦合的氣動熱力仿真除了要具備寬速域、可壓縮的求解方法外，還須結合實際物理特征，建立恰當的數學模型。在葉輪機械中，葉片表面邊界層轉捩、分離以及通道中二次流、端壁間隙流是主要流動現象，因此數值仿真中須建立恰當的湍流模型與近壁面條件；在燃燒室中，大尺度旋流、剪切與回流用于強化燃料與空氣摻混與穩定火焰，因此數值仿真中須充分評估流動、混合與化學反應時間尺度的差異，建立微尺度下流動與燃燒耦合作用的燃燒模型。當前，上述主要計算方法在各部件的獨立仿真中均有著長足發展、日趨成熟。例如，法國歐洲科學計算研究中心（CERFACS）在2009年開展了環形燃燒室大渦模擬，在2019開展了3級壓氣機的大渦模擬。
進入21世紀以來，為進一步提高發動機整機內流的認識，科學研究率先嘗試進行了發動機整機氣動熱力流場的仿真。2003—2006年，斯坦福大學針對PW6000整機內流開展仿真計算，在其研究中，采用可壓縮的雷諾時間平均方法（URANS）模擬壓氣機和渦輪內流，采用不可壓縮大渦模擬方法模擬燃燒室流動。這一嘗試在當時是突破性的技術研究，但是由于需要在旋轉部件與燃燒室之間進行仿真方法的切換，導致部件之間的湍流特征時間尺度并不一致，因此該工作所開展的多部件耦合仿真，只是幾何流道耦合，而不是流場的物理過程耦合。
最近10年，大規模高性能并行計算技術的快速發展為發動機整機耦合仿真帶來了新的契機。
展開 高層建筑大渦模擬的一般流程及典型案例
何為大渦模擬？
在上一篇文章CFD在土木工程中的應用系列（二）——淺談脈動風速入口生成方法中，Ton君已經描述了大渦模擬（LES）的一般概念。所謂大渦模擬，實際上是一種湍流模型。在CFD求解過程中，我們希望將研究問題求解得越清楚詳細越好，這樣就需要捕捉流體行為的細節。下圖1摘自文獻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計算需要足夠精細的網格和超強的計算能力，目前在科研領域也僅適用于低雷諾數計算，在工程領域的應用則更加鳳毛麟角。在高層建筑抗風研究中，得到建筑表面風壓時程是至關重要的。CFD作為風洞試驗的輔助乃至替代手段，必須能夠解析建筑表面風荷載的隨機時程序列。鑒于此，雷諾平均（RANS）方法并不適用于研究此類問題，因為RANS方法從原理上無法求解流場的隨機脈動成分，僅在求解平均流場和平均風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”，對于“小渦”則采用亞格子模型求解。
展開 STAR-CCM+ | 潛艇CFD大渦模擬
計算策略
為了加速大渦模擬計算收斂，這里分兩步進行：
首先利用SST
k-w進行穩態計算，開啟的物理模型如下圖所示：
△ 穩態計算物理模型
當穩態計算收斂后，開啟大渦模擬，利用
Smagorinsky亞格子模型開張瞬態計算，瞬態計算物理模型如下圖所示。時間離散采用二階格式，時間步長設置為0.05 s，內迭代步數為10，最大計算物理時間為10 s。
△ 瞬態計算物理模型
計算結果
本文模擬的工況點是航速10節，通過大渦模擬得到的潛艇阻力約為277 N，對應的實驗結果為283.3 N，相對誤差為2.2%，精度還是相當不錯的。
△ 潛艇阻力監測圖
下圖為潛艇航行過程的速度云圖。
△ 速度云圖
本文到此結束，有興趣的同學可以下載對應的模型，練練手！
百度網盤鏈接：https://pan.baidu.com/s/1wjdtIU62VfTsAj8Oq-_p0A?pwd=iswh
提取碼：iswh
文章來源：CFD日記
展開 
CFD理論|大渦模擬
導讀：介紹大渦模擬。
大渦模擬（Large eddy simulation，LES）是介于直接數值模擬（DNS）和Reynolds平均法之間的一種數值模擬方法。
基本思想
湍流包含一系列大大小小的渦團，渦尺度范圍很大，我們希望計算網格的尺度可以小到足以分辨最小渦的運動給，但是目前所采用的最小尺度計算網格仍比最小渦大得多。
大尺度渦決定了系統中動量、質量、能量及其他物理量的輸運，并且大尺度渦與所求解問題、幾何和邊界密切相關。小尺度渦幾乎不受幾何和邊界的影響，它趨向于各向同性，且運動具有共性。目前只能放棄全尺度范圍上渦的瞬時運動模擬，只將比網格尺度大的湍流運動通過瞬時N-S方程計算出來，小尺度渦對大尺度渦的影響則通過一定的模型在針對大尺度渦的瞬時N-S方程體現出來，這就是大渦模擬方法。
如何實現
實現大渦模型，有兩個重要環節：
首先是建立數學濾波模型，從湍流瞬時運動方程中將尺度比濾波函數的尺度小的渦過濾掉，從而分解出描寫大渦流的方程。
其次就是考慮被濾掉的小渦對大渦的影響，則通過大渦流場的運動方程中引入附加應力項來體現，被稱為亞格子尺度應力。這個數學模型稱為亞格子尺度模型（SubGrid-Scale model，SGS模型）。
數學模型
（1）大渦運動方程在LES方法中，通過濾波函數，每個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，是模擬中直接計算的部分；
不尺度變量-需要通過模型來表示。
這里的是濾波后的變量，它不是時間域上的平均，而是在空間域上的平均，
可以通過下式得到：
式中D為流動區域；x為空間坐標；為濾波函數，決定了所求解的渦的尺度。
展開 基于XFLOW大渦模擬的CAARC標準高層風洞試驗模擬
?有效模擬了建筑結構的高雷洛數繞流及拓展了xflow在高層建筑抗風中的應用，本次參賽模型選用了兩種亞格子尺度方法，亞格子渦黏性模型自適應局部（Wall-Adapting Local Eddy，WALE） 模型、動態Smagorinsky模型（DSM)，其中兩種模型在Xflow里的參數取Cw取0.2,Cs取0.15。
?將XFLOW的數值結果與風洞試驗的CAARC標準高層建筑的數值解對比，結果表明數值模擬較好的反映了高層建筑周圍風環境的繞流特性及表面風壓情況，在迎風面時，與試驗結果擬合較好，在側風面和背風面時，數值模擬結果介于NPL與TJ2試驗結果之間，迎風面均受正壓力，在迎風面2/3高度處最大，兩邊及底下小。建筑物的背風面和側風面全部承受負壓力，兩種湍流模型的模擬結果之間差異較小，為高層建筑鈍體繞流的研究提供了依據。
基于XFLOW大渦模擬的CAARC標準高層風洞試驗模擬.pptx
展開 介紹 Fidelity CharLES - 加速、準確的大渦模擬
CFD 社區流傳著一個老笑話：“大渦模擬十年后才有用，就像 1977 年一樣。” 當然，這從來都不是完全正確的。十七年前，我在實習期間對軸對稱進氣口的一個小楔子進行了 LES 分析。它不是一個大網格，在我的 6 核工作站上運行模擬花了三周時間，但它讓我們深入了解了我們正在研究的流動，特別是瞬態渦流形成的方式和位置，以及它們如何影響性能。我的導師評論說，盡管運行需要數周時間，但他們已經在這個問題上苦苦思索了將近一年，所以我們得到的答案是值得的。
從那次實習開始，我就對 LES 很感興趣。我什至繼續寫了一篇關于 LES 湍流建模的論文。當時我和我的導師所采用的方法并沒有引起全世界的關注，但一個非常重要的結論多年來一直困擾著我：傳統的渦粘性方法基于物理上不切實際的假設，引入了太多的人為因素擴散到 LES 的流體域中作為工程工具特別有效。通常，經過良好校準的 RANS 模型在預測體積工程量（例如升力和阻力）時會優于傳統的 LES 模型。可行的 LES必須能夠將長度比例縮小到網格分辨率本身的數量級。
當我第一次看到 Cascade Technologies 團隊在 2021 年的 NVIDIA GTC 上展示他們的 CharLES 流解算器時，我知道我正在尋找一些特別的東西。從飛機機翼上拖下來的清晰、高分辨率的尾流看起來像我在學術實驗之外見過的任何東西。它看起來幾乎像 DNS！作為渦流粘度的標志的常見拖尾和扭曲流動拓撲結構均不可見。無論這些人在做什么，我都知道必須有所不同。
圖 1：帶有高升力裝置的機翼上的氣流表明 Fidelity CharLES 不是您祖父的 LES
加入 Cadence 后不久，我很高興地發現我們正在獲得這項引人入勝的技術。
展開 VKI 高壓渦輪葉片湍流隱式大渦模擬
1 問題描述和流動條件
對VKI高壓渦輪葉片[1]進行隱式大渦模擬（ILES）,文獻[2]中提供了大量的實驗數據。文獻[2]中MUR129的流動情況為沒有來流湍流。流動參數以SI為單位，雷諾數和馬赫數基于等熵出口邊界值：
l 進口總壓：1.849*105Pa
l 進口總溫：409K
l 出口靜壓：1.16487*105Pa
l 攻角：0
l 基于弦長和出口邊界值的雷諾數：1.16*106
l 等熵出口馬赫數：0.84
l 普朗特數：0.713
l 氣體常數：287.55J/(kg*K)
l 壁面溫度：300K
l 粘性系數符合薩瑟蘭定律
2 幾何和網格參數
l 葉片寬度是弦長的16.6%（0.0676m）；
l 粗網格具有169,750個六面體和278,425個棱柱體單元，其中沿葉片展向有35個單元，如圖1所示；
l 網格的平均y +值（來自p2模擬）：3.3；
l 通過將每個單元細分為8個更小的單元生成細網格。
圖1 非結構混合網格
3 計算結果
進行網格加密和變精度（p）研究以評估網格和階次的靈敏度和收斂性。圖2顯示了不同網格密度和求解階次下的紋影分布。這些紋影分布清晰地顯示了聲波、激波，尾跡結構和后緣附近的轉棙區。注意到粗網格上的p2模擬具有比細網格上的p1模擬更高的分辨率，表明p細化在解決非定常流動特征方面比網格細化更有效。也可以看出在粗網上轉棙區還沒有在p2和p3模擬之間完全收斂。粗網格上的p1模擬具有很早的轉棙位置，而細網格上的p1模擬具有很晚的轉棙位置，p2和p3模擬預測到的轉棙位置介于p1粗網格模擬和p2細網格模擬之間。
圖2 不同多項式次數和網格密度下紋影分布對比圖
圖3顯示了粗網格上不同階次計解結果的時間平均值。
展開 【CAE案例】燃料棒組件LES大渦模擬
測試是在2.4 m.s-1的流速和20℃的流動溫度下進行的，實驗的參考雷諾數為66000，滿足求解器測試湍流狀態下的模擬結果。
圖2：裝配葉片的混合格柵的結構視圖
計算使用的網格為結構化網格，共包含4200萬個六面體單元。雖然網格創建復雜且耗時，但網格質量非常重要，不能引入不適用于LES的網格單元造成數值耗散。計算驗證了對數壁函數幾乎在任何地方都有效，除了格柵中的某些符合LES壁建模的y+要求的位置（全局y+>20）。周期性的頂部和底部也是結構化的網格。
圖3：帶格柵部分（左）和裸束區（右）網格
根據先前對單一燃料棒模擬的經驗，選擇大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）模型作為湍流模型。
展開 使用LES模型和RANS模型對噴霧進行模擬對比
發動機內的噴霧是噴射、油束擴展、油氣混合、破碎、蒸發、碰壁等過程的綜合與疊加，由于噴霧模擬涉及噴霧破碎、氣液動量交換、湍流擴散、液滴蒸發、液滴碰撞和噴霧碰壁等子模型，噴霧模擬一直是難題，特別是缸內氣體的宏觀流動和湍流脈動對噴霧具有強烈影響，模擬時湍流模型的選擇往往對結果有較大影響。
迄今為止，進行噴霧標定或噴霧燃燒時大多使用雷諾平均（RANS）湍流模型。近年來隨著計算機的發展，流體運動仿真逐漸使用大渦模擬（LES）和直接數值模擬(DNS)。目前條件下，DNS計算成本太過高昂，只能局限于低雷諾數及簡單邊界條件，故大渦模擬成為目前湍流理論和應用研究的熱點。
大 渦 模 擬
大渦模擬方法由氣象學家Smagorinsky在1963年提出，當時用于全球天氣預報研究。大渦模擬的基本思想：對湍流中不同尺度的渦進行過濾（使用數學濾波函數，將渦分為大尺度結構和小尺度結構）。
大尺度的渦對平均流動影響較大，各種變量的湍流擴散、熱量、質量和能量的交換以及雷諾應力的產生都是通過大尺度的渦來實現的；小尺度的渦由粘性力產生，主要對耗散起作用，通過耗散脈動影響各種變量。
大尺度結構在流場中占據主導地位，屬于可解尺度量，可被計算網格分辨出來，因而可直接通過求解瞬時三維湍流方程組獲得真實結構狀態；小尺度渦無法直接求解，需要將其通過引入附加應力項來表現其對大尺度渦運動的影響，這樣的模型叫亞格子尺度模型，引入的應力稱為亞格子尺度應力。
展開 [軟件速遞]Metacomp CFD++ v14.1.1 x64
CFD++是Metacomp Technologies 公司的流體力學模擬軟件。MetacompTechnologies 公司成立于1994 年12 月，總部位于美國的洛杉磯，擁有龐大的技術研發實力。
CFD++可以有效的解決流體力學問題中的可壓流（任何馬赫數）和不可壓流，包括單組分和多組分流動、化學反應流動、多相流、穩流和非穩流、旋轉機械、熱傳導、多孔介質等等。一階、二階和三階的湍流方程，結合經典的壁面方程，可以精確的捕捉壁面附近的流體壓縮參數、壓力梯度、熱傳導等各種湍流特性。單方程的大渦模擬（LES）模型和混和的大渦模擬（LES）模型/雷諾平均（RANS）模型同樣可用。后者極大的減少了傳統大渦模擬（LES）的工作量。
先進的算法 CFD++提供的Total Variation Diminishing(TVD)格式可以避免在計算過程中的假發散。不同的Riemann求解器保證計算的準確性。先進的收斂加速技術包括獨特的預處理、松弛和多重網格等運算法則。
CFD++的LES-RANS方法中和 由于傳統的大渦模擬需要的計算量大，并且在靠近壁面的地方求解不穩定，CFD++中采用了一種中和的辦法。即根據當地的網格密度，計算方法在大渦模擬和傳統的雷諾應力模型之間自動轉換。下面的方塊繞流就是利用這樣的中和算法的一個算例。
網格方面 CFD++可以輕松的處理復雜的幾何模型，能夠計算結構、非結構和多塊網格。CFD++同樣可以處理復雜的重疊網格并修補壞網格。網格類型包括三維的六面體、四面體、棱錐、棱柱，二維的三角形、四邊形和一維的線性網格.
展開 
CFD++ 高級流體通用分析軟件介紹
高級流體軟件CFD++相關介紹
CFD++憑借TVD格式和在高馬赫數計算方面的優秀表現,已經成為美國航空航天工業界首選的計算流體力學分析工具
CFD++是Metacomp Technologies 公司的流體力學模擬軟件。MetacompTechnologies 公司成立于1994 年12 月，總部位于美國的洛杉磯，擁有龐大的技術研發實力。
CFD++可以有效的解決流體力學問題中的可壓流（任何馬赫數）和不可壓流，包括單組分和多組分流動、化學反應流動、多相流、穩流和非穩流、旋轉機械、熱傳導、多孔介質等等。一階、二階和三階的湍流方程，結合經典的壁面方程，可以精確的捕捉壁面附近的流體壓縮參數、壓力梯度、熱傳導等各種湍流特性。單方程的大渦模擬（LES）模型和混和的大渦模擬（LES）模型/雷諾平均（RANS）模型同樣可用。后者極大的減少了傳統大渦模擬（LES）的工作量。
先進的算法
CFD++提供的Total Variation Diminishing(TVD)格式可以避免在計算過程中的假發散。不同的Riemann求解器保證計算的準確性。先進的收斂加速技術包括獨特的預處理、松弛和多重網格等運算法則。
CFD++的LES-RANS方法中和
由于傳統的大渦模擬需要的計算量大，并且在靠近壁面的地方求解不穩定，CFD++中采用了一種中和的辦法。即根據當地的網格密度，計算方法在大渦模擬和傳統的雷諾應力模型之間自動轉換。
網格方面
CFD++可以輕松的處理復雜的幾何模型，能夠計算結構、非結構和多塊網格。CFD++同樣可以處理復雜的重疊網格并修補壞網格。網格類型包括三維的六面體、四面體、棱錐、棱柱，二維的三角形、四邊形和一維的線性網格。
展開 無人機葉片顫振的詳細介紹及流固耦合仿真分析講解（含105講視頻教程）
（圖：槳葉優化）
6.大渦模擬：介紹大渦模擬（LES）技術在無人機流場仿真中的應用，捕捉更精細的流動細節和湍流結構。
（圖：大渦模擬噪聲計算）
7.噪聲仿真：對無人機產生的噪聲進行仿真分析，評估噪聲水平、傳播特性和降噪措施。
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eVTOL電動垂直起降飛行器研發降噪處理案例及常見方案介紹（附eVTOL研發資料下載）
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展開 【積鼎VirtualFlow】超大渦模擬：燃料管束內的流動傳熱
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。
展開 Fluent仿真實例-大渦模擬大風吹過圓柱體的噪聲
對于聲學仿真，推薦使用LES湍流模型，因為LES模型求解所有渦旋尺度比網格尺度大的渦旋，能較好預測到噪聲。
1、啟動軟件并導入網格
1.1 啟動Fluent軟件，選擇2D 雙精度版本，單核求解。
1.2 導入網格文件“cylinder2d.msh.gz”，網格下載在文章底部。
為了改善求解速度，將網格重新讀取編錄，操作：Mesh -> Reorder -> Domain
在文本窗口中顯示Fluent采用了Reverse Cuthill-McKee方法進行。
2、 求解器設置
3、 模型設置
3.1 湍流模型-大渦LES模型
在2D求解器中，LES模型是隱藏的，就是你打開湍流模型面板是找不到的。在文本窗口中輸入下面命名“(rpsetvar 'les-2d?' #t)”，鍵盤回車鍵。命令輸入要英文狀態，括號也要輸入，還有一點就是不能復制黏貼輸入，只能手動敲鍵盤輸入才有效，本人親測過了，Fluent版本是15.0。再次打開湍流模型，就發現LES已經出現可選了。
此時會彈出一個warning提示框，點擊OK即可。
4、 邊界條件
4.1 inlet邊界，邊界類型為velocity-inlet。
4.2 outlet邊界，邊界類型為pressure-outlet。保留默認設置。
5、求解設置
5.1 離散方案設置。
5.2 松弛因子設置，將pressure松弛因子調到0.7。
5.3 殘差設置。
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