湍流 大渦模擬的案例
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 航空發動機內流全場流動的大渦模擬
進入21世紀后，科學研究進一步重視湍流的非定常效應，試圖通過優化或控制流動過程以提升航空器內、外流的氣動熱力性能。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。
展開 大蝦推薦幾本湍流方面的書
中文的:
湍流 上下冊,竇國仁,此人是前蘇聯的博士,據說中國拿到蘇聯正博士的人屈指可數.
湍流 是勛剛,天津大學出版社.偏重于湍流模擬,包括大渦模擬等.
湍流計算模型 陳義良,中國科大出版社.專講湍流模型的
數值傳熱學 陶文詮.還是比較經典的,此人曾在明尼蘇達做訪問學者,和patankar
共事過.學了些東東.西安交大的.
計算流體力學 張庭芳 大連理工大學出版社. 有限差分,有限元,邊界元都講,
很基礎的好書.
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,一是張政的科學出版社的,一是郭寬良的科大出版社的.
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書閱覽室有不少,可以好好看看.
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。
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 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 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 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 【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 Comsol大渦模擬煙霧破碎耗散
image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_760" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/202106/6513c24703174f57b945bd58fb07187d.png">
</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 推薦幾本湍流方面的書
中文的:
湍流 上下冊,竇國仁,此人是前蘇聯的博士,據說中國拿到蘇聯正博士的人屈指可數.
湍流 是勛剛,天津大學出版社.偏重于湍流模擬,包括大渦模擬等.
湍流計算模型 陳義良,中國科大出版社.專講湍流模型的
數值傳熱學 陶文詮.還是比較經典的,此人曾在明尼蘇達做訪問學者,和patankar
共事過。
計算流體力學 張庭芳 大連理工大學出版社. 有限差分,有限元,邊界元都講,
很基礎的好書.
英文的:
Turbulence J.O.Hinze, 荷蘭的,上下冊,有中譯本,經典的湍流教材.
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公司有很多不錯的湍流和CFD方面的英文書
全名：Computational Fluid Dynamics The Basics with Application
Author:John D. Anderson,Jr
清華大學出版了影印版
中外書籍文獻中有介紹紊流模型中各項物理意義的書
北航 陳矛章 編的 “湍流”
D.C.Wilcox《turbulence modeling for CFD》,不錯的書。
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 【資料】FLUENT大渦模擬及聲學分析官方實例
fluent噪聲培訓資料(上11).pdf
[案例分析]基于商用軟件FLUENT的LES（大渦模擬）計算教學
這個就是文主計算的結果（延伸段實際上應該更長一些）
寫稿初衷
本文的寫稿初衷是因為當初在各大網站上苦苦找尋LES設置算例，然而。。。木有找到，因此就想做一個基于商用軟件FLUENT的LES教程。
選擇FLUENT的原因是因為目前大多數童鞋都比較喜歡使用FLUENT來進行流動數值模擬。鑒于FLUENT的受歡迎程度以及初學者們的需求，本文就基于FLUENT做一次LES計算的教程。
適宜人群：想學習LES計算、流動非定常計算、FLUENT的筒子們
文主使用的軟件：ICEM CFD15.0、FLUENT 15.0
算例：二維（2D）圓柱擾流計算
First Step：前處理
前處理用一句話來概括就是：準備計算網格！
網格這一塊不是LES計算的重點，因為任何計算都要畫網格，因此建議童鞋們可以參考其他教程單獨學習畫網格，本教程只作簡單的介紹。
由于圓柱擾流問題比較簡單，因此可以直接在ICEM上畫，思想是：由點構成線，再由線構成面。
步驟是：
先給出幾何點（比如圓柱的圓心、流域的邊界點）；
通過點連線，最終得到面（如下圖所示）
到這里就可以畫網格了，可以使用非結構網格劃分或者結構化網格劃分，兩種網格FLUENT均能計算。
文主一般比較喜歡用結構化網格，所以在這里展示一下如何畫結構化網格。
總體思路是：先給出塊（Block），再分割塊（Block），然后給網格節點，最后生成網格并轉成非結構化網格（ICEM只能導出非結構化網格）。
展開 旋流器、旋轉流化床等化工設備的多相流分析
SOLUTION
主要技術挑戰
l 內流場為高速旋轉流，計算工作量大，流場的速度分布不難以精確展現。
l 既要考慮到主流場的液體流動，還要模擬出旋流器中心形成的空氣柱現象，準確捕捉氣液交界面。
l 需要考慮顆粒的噴射參數對顆粒運動的影響，考慮顆粒-顆粒之間的相互作用。
解決方案
l 用ANSYS Fluent高級的湍流模型——大渦模擬的方法模擬旋轉流場
l 用VOF的方法模擬出旋流器高速運轉時旋流器中的空氣柱、用modified HRIC高精度分界面模型捕捉氣液分解面
l 用DPM方法模擬固體顆粒的運動，并且用DPM UDF自定義顆粒-顆粒間的相互作用
l 用歐拉-歐拉模型模擬旋轉床中的顆粒分布
結論
得到不同操作條件下旋流器中的高速旋轉流場，很好吻合實驗數據
得到旋流器運轉中空氣柱的分布
通過統計顆粒排除情況，獲得顆粒分級曲線
Customer Benefit
基于操作狀態的分析結果，優化最佳的旋流器、旋轉流化床設計參數，使得運轉中的能耗降低；同時，為設計不同用途，如分離細微顆粒、得到最佳階段率、高效液液分離等的新型旋流器提供技術支撐。
旋流器中顆粒瞬態分布
旋轉流化床設備網格
旋轉流化床不同截面位置煤炭顆粒分布情況
展開 