湍流 大渦模擬
關(guān)注創(chuàng)建者：陸面體CFD工程師 創(chuàng)建時(shí)間：2019-06-20
湍流 大渦模擬的視頻教程
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中對湍流剪切層進(jìn)行了仿真，并且對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：CFD控 知乎公眾號：CFD控制
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基于大渦模擬的CFD仿真軟件—Fidelity CharLES
它能求解湍流流動(dòng)、氣動(dòng)噪聲、反應(yīng)流、多相流等復(fù)雜物理問題，并提供豐富的后處理結(jié)果用于分析和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。本次直播將為大家詳細(xì)介紹CharLES獨(dú)特的體網(wǎng)格生成技術(shù)（3D Voronoi Diagram），先進(jìn)的物理模型（WMLES），高效并行方法（CPU&GPU），及其在航空航天和汽車仿真方面的應(yīng)用
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湍流 大渦模擬的實(shí)例教程
1 問題描述和流動(dòng)條件
對VKI高壓渦輪葉片[1]進(jìn)行隱式大渦模擬（ILES）,文獻(xiàn)[2]中提供了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[2]中MUR129的流動(dòng)情況為沒有來流湍流。流動(dòng)參數(shù)以SI為單位，雷諾數(shù)和馬赫數(shù)基于等熵出口邊界值：
l 進(jìn)口總壓：1.849*105Pa
l 進(jìn)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(shù)：1.16*106
l 等熵出口馬赫數(shù)：0.84
l 普朗特?cái)?shù)：0.713
l 氣體常數(shù)：287.55J/(kg*K)
l 壁面溫度：300K
l 粘性系數(shù)符合薩瑟蘭定律
2 幾何和網(wǎng)格參數(shù)
l 葉片寬度是弦長的16.6%（0.0676m）；
l 粗網(wǎng)格具有169,750個(gè)六面體和278,425個(gè)棱柱體單元，其中沿葉片展向有35個(gè)單元，如圖1所示；
l 網(wǎng)格的平均y +值（來自p2模擬）：3.3；
l 通過將每個(gè)單元細(xì)分為8個(gè)更小的單元生成細(xì)網(wǎng)格。
圖1 非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格
3 計(jì)算結(jié)果
進(jìn)行網(wǎng)格加密和變精度（p）研究以評估網(wǎng)格和階次的靈敏度和收斂性。圖2顯示了不同網(wǎng)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(jié)構(gòu)和后緣附近的轉(zhuǎn)棙區(qū)。注意到粗網(wǎng)格上的p2模擬具有比細(xì)網(wǎng)格上的p1模擬更高的分辨率，表明p細(xì)化在解決非定常流動(dòng)特征方面比網(wǎng)格細(xì)化更有效。也可以看出在粗網(wǎng)上轉(zhuǎn)棙區(qū)還沒有在p2和p3模擬之間完全收斂。粗網(wǎng)格上的p1模擬具有很早的轉(zhuǎn)棙位置，而細(xì)網(wǎng)格上的p1模擬具有很晚的轉(zhuǎn)棙位置，p2和p3模擬預(yù)測到的轉(zhuǎn)棙位置介于p1粗網(wǎng)格模擬和p2細(xì)網(wǎng)格模擬之間。
圖2 不同多項(xiàng)式次數(shù)和網(wǎng)格密度下紋影分布對比圖
圖3顯示了粗網(wǎng)格上不同階次計(jì)解結(jié)果的時(shí)間平均值。
展開 進(jìn)入21世紀(jì)后，科學(xué)研究進(jìn)一步重視湍流的非定常效應(yīng)，試圖通過優(yōu)化或控制流動(dòng)過程以提升航空器內(nèi)、外流的氣動(dòng)熱力性能。因此，一種對湍流流動(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)?em>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(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)立仿真中均有著長足發(fā)展、日趨成熟。例如，法國歐洲科學(xué)計(jì)算研究中心（CERFACS）在2009年開展了環(huán)形燃燒室大渦模擬，在2019開展了3級壓氣機(jī)的大渦模擬。
進(jìn)入21世紀(jì)以來，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)熱力流場的仿真。2003—2006年，斯坦福大學(xué)針對PW6000整機(jī)內(nèi)流開展仿真計(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。
展開 中文的:
湍流 上下冊,竇國仁,此人是前蘇聯(lián)的博士,據(jù)說中國拿到蘇聯(lián)正博士的人屈指可數(shù).
湍流 是勛剛,天津大學(xué)出版社.偏重于湍流模擬,包括大渦模擬等.
湍流計(jì)算模型 陳義良,中國科大出版社.專講湍流模型的
數(shù)值傳熱學(xué) 陶文詮.還是比較經(jīng)典的,此人曾在明尼蘇達(dá)做訪問學(xué)者,和patankar
共事過.學(xué)了些東東.西安交大的.
計(jì)算流體力學(xué) 張庭芳 大連理工大學(xué)出版社. 有限差分,有限元,邊界元都講,
很基礎(chǔ)的好書.
此外還有很多,圖書館查查吧.
英文的:
Turbulence J.O.Hinze, 荷蘭的,上下冊,有中譯本,經(jīng)典的湍流教材.
Numerical heat transfer and fluid flow patankar的,不用多說了吧?
有兩種中一本,一是張政的科學(xué)出版社的,一是郭寬良的科大出版社的.
另外,springer公司有很多不錯(cuò)的湍流和CFD方面的英文書,圖書館外文科技
書閱覽室有不少,可以好好看看.
展開 對于聲學(xué)仿真，推薦使用LES湍流模型，因?yàn)長ES模型求解所有渦旋尺度比網(wǎng)格尺度大的渦旋，能較好預(yù)測到噪聲。
1、啟動(dòng)軟件并導(dǎo)入網(wǎng)格
1.1 啟動(dòng)Fluent軟件，選擇2D 雙精度版本，單核求解。
1.2 導(dǎo)入網(wǎng)格文件“cylinder2d.msh.gz”，網(wǎng)格下載在文章底部。
為了改善求解速度，將網(wǎng)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(jìn)行。
2、 求解器設(shè)置
3、 模型設(shè)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(tài)，括號也要輸入，還有一點(diǎn)就是不能復(fù)制黏貼輸入，只能手動(dòng)敲鍵盤輸入才有效，本人親測過了，F(xiàn)luent版本是15.0。再次打開湍流模型，就發(fā)現(xiàn)LES已經(jīng)出現(xiàn)可選了。
此時(shí)會(huì)彈出一個(gè)warning提示框，點(diǎn)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(rèn)設(shè)置。
5、求解設(shè)置
5.1 離散方案設(shè)置。
5.2 松弛因子設(shè)置，將pressure松弛因子調(diào)到0.7。
5.3 殘差設(shè)置。
展開 ?有效模擬了建筑結(jié)構(gòu)的高雷洛數(shù)繞流及拓展了xflow在高層建筑抗風(fēng)中的應(yīng)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(yīng)局部（Wall-Adapting Local Eddy，WALE） 模型、動(dòng)態(tài)Smagorinsky模型（DSM)，其中兩種模型在Xflow里的參數(shù)取Cw取0.2,Cs取0.15。
?將XFLOW的數(shù)值結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)的CAARC標(biāo)準(zhǔn)高層建筑的數(shù)值解對比，結(jié)果表明數(shù)值模擬較好的反映了高層建筑周圍風(fēng)環(huán)境的繞流特性及表面風(fēng)壓情況，在迎風(fēng)面時(shí)，與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好，在側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果介于NPL與TJ2試驗(yàn)結(jié)果之間，迎風(fēng)面均受正壓力，在迎風(fēng)面2/3高度處最大，兩邊及底下小。建筑物的背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面全部承受負(fù)壓力，兩種湍流模型的模擬結(jié)果之間差異較小，為高層建筑鈍體繞流的研究提供了依據(jù)。
基于XFLOW大渦模擬的CAARC標(biāo)準(zhǔn)高層風(fēng)洞試驗(yàn)模擬.pptx
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湍流 大渦模擬的最新內(nèi)容
在RANS和DNS之間，還有大渦模擬方法（Large eddy simulation, LES），對流動(dòng)中的大尺度渦進(jìn)行直接求解，小尺度渦則用湍流模型表示。
大渦模擬能反映大尺度渦的細(xì)節(jié)，模擬精度更高，但計(jì)算量也比RANS方法大很多。
在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中，采用SST 湍流模型。瞬態(tài)計(jì)算采用大渦模擬(LES)湍流模型，計(jì)算不同工況下螺旋槳的水動(dòng)力性能。所得流場結(jié)果與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)。聲學(xué)計(jì)算采用聲學(xué)商業(yè)軟件ACTRAN中的Lighthill聲類比方法計(jì)算螺旋槳在進(jìn)速系數(shù)J=0.833時(shí)的非空化噪聲，所得聲場結(jié)果與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在10dB以內(nèi)。
對于模擬計(jì)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(shí)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。
在計(jì)算過程中，湍流模型一般選用大渦模擬（LES），此外，還需要根據(jù)計(jì)算的最高頻率，由奈奎斯特采樣定理合理設(shè)定時(shí)間步長和計(jì)算總時(shí)長；將流場瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果輸出為時(shí)域的壓力脈動(dòng)或者速度脈動(dòng)。
流體流過圓柱體產(chǎn)生的噪聲
案例描述：空氣以69.2 m/s的速度吹向直徑為1.9 cm的圓柱體，用Fluent仿真此時(shí)產(chǎn)生的噪聲。基于圓柱體直徑的Reynolds數(shù)大概是90000。其他尺寸參數(shù)見下圖。
對于聲學(xué)仿真，推薦使用LES湍流模型，因?yàn)長ES模型求解所有渦旋尺度比網(wǎng)格尺度大的渦旋，能較好預(yù)測到噪聲。
筆者及研究團(tuán)隊(duì)以航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)為研究對象，采用湍流燃燒大渦模擬技術(shù)對高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪耦合通流流場開展數(shù)值仿真，介紹了幾何模型、數(shù)值計(jì)算模型中的一些要素，并分析了整機(jī)內(nèi)跨部件傳播的非定常特征以及上下游部件的相互影響效應(yīng)，以期初探整機(jī)內(nèi)流場數(shù)值仿真技術(shù)的可行性及其在工程應(yīng)用中的技術(shù)價(jià)值。
同時(shí)，研究者們還繼續(xù)努力進(jìn)行湍流的直接模擬，并在大渦模擬 (LES)、分離渦模擬 (DES) 和直接數(shù)值模擬 (DNS) 中進(jìn)行了大量新研究，以提供無模型的逼真度，從而為在飛機(jī)性能范圍邊界（即分離流）附近的模擬提供高精度的 CFD 模擬。
因此，大渦模擬(LES)方法已逐漸成為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的一種有效方法和發(fā)展趨勢。從2008年開始，各大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司(如GE、普惠公司等)大力推廣大渦模擬方法在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的應(yīng)用。
本文主要利用STAR-CCM+演示標(biāo)準(zhǔn)潛艇模型Suboff的大渦模擬過程。
幾何模型
下圖展示了在SpaceClaim中打開的Suboff全附體幾何模型。
CFD 社區(qū)流傳著一個(gè)老笑話：“大渦模擬十年后才有用，就像 1977 年一樣。” 當(dāng)然，這從來都不是完全正確的。十七年前，我在實(shí)習(xí)期間對軸對稱進(jìn)氣口的一個(gè)小楔子進(jìn)行了 LES 分析。它不是一個(gè)大網(wǎng)格，在我的 6 核工作站上運(yùn)行模擬花了三周時(shí)間，但它讓我們深入了解了我們正在研究的流動(dòng)，特別是瞬態(tài)渦流形成的方式和位置，以及它們?nèi)绾斡绊懶阅堋Ｎ业膶?dǎo)師評論說，盡管運(yùn)行需要數(shù)周時(shí)間，但他們已經(jīng)在這個(gè)問題上苦苦思索了將近一年
