大渦模擬(LES)的案例
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(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(lèi)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) 【積鼎VirtualFlow】超大渦模擬：燃料管束內(nèi)的流動(dòng)傳熱
湍流的本質(zhì)導(dǎo)致了直接模擬湍流的計(jì)算代價(jià)非常大，為了能在有限的計(jì)算機(jī)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(duì)NS方程進(jìn)行某種過(guò)濾，大渦結(jié)構(gòu)受流場(chǎng)影響較大，小渦則可視為各向同性，因此通過(guò)濾波處理將小渦從流暢過(guò)濾，只計(jì)算大渦，而小渦則使用統(tǒng)一的次網(wǎng)格尺度模型進(jìn)行模擬，過(guò)濾尺度一般為網(wǎng)格尺度。
雷諾平均（RANS）
雷諾平均（RANS）基本思想是對(duì)NS方程進(jìn)行（時(shí)間）平均，將非定常的湍流問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)定常的問(wèn)題研究。
對(duì)于模擬計(jì)算湍流，擅長(zhǎng)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。
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(jìn)行了改進(jìn)。
超大渦模擬（V-LES）結(jié)合了非定常U-RANS與LES的優(yōu)點(diǎn)，可以精確求解大于網(wǎng)格大小尺度以上所有湍流尺度的運(yùn)動(dòng)，并使用基于U-RANS中k-e方程的兩個(gè)方程模擬小渦的運(yùn)動(dòng)。
展開(kāi) [軟件速遞]Metacomp CFD++ v14.1.1 x64
CFD++是Metacomp Technologies 公司的流體力學(xué)模擬軟件。MetacompTechnologies 公司成立于1994 年12 月，總部位于美國(guó)的洛杉磯，擁有龐大的技術(shù)研發(fā)實(shí)力。
CFD++可以有效的解決流體力學(xué)問(wèn)題中的可壓流（任何馬赫數(shù)）和不可壓流，包括單組分和多組分流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)、多相流、穩(wěn)流和非穩(wěn)流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、熱傳導(dǎo)、多孔介質(zhì)等等。一階、二階和三階的湍流方程，結(jié)合經(jīng)典的壁面方程，可以精確的捕捉壁面附近的流體壓縮參數(shù)、壓力梯度、熱傳導(dǎo)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(tǒng)大渦模擬（LES）的工作量。
先進(jìn)的算法 CFD++提供的Total Variation Diminishing(TVD)格式可以避免在計(jì)算過(guò)程中的假發(fā)散。不同的Riemann求解器保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。先進(jìn)的收斂加速技術(shù)包括獨(dú)特的預(yù)處理、松弛和多重網(wǎng)格等運(yùn)算法則。
CFD++的LES-RANS方法中和 由于傳統(tǒng)的大渦模擬需要的計(jì)算量大，并且在靠近壁面的地方求解不穩(wěn)定，CFD++中采用了一種中和的辦法。即根據(jù)當(dāng)?shù)氐木W(wǎng)格密度，計(jì)算方法在大渦模擬和傳統(tǒng)的雷諾應(yīng)力模型之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換。下面的方塊繞流就是利用這樣的中和算法的一個(gè)算例。
網(wǎng)格方面 CFD++可以輕松的處理復(fù)雜的幾何模型，能夠計(jì)算結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)和多塊網(wǎng)格。CFD++同樣可以處理復(fù)雜的重疊網(wǎng)格并修補(bǔ)壞網(wǎng)格。網(wǎng)格類(lèi)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(wǎng)格.
展開(kāi) CFD++ 高級(jí)流體通用分析軟件介紹
高級(jí)流體軟件CFD++相關(guān)介紹
CFD++憑借TVD格式和在高馬赫數(shù)計(jì)算方面的優(yōu)秀表現(xiàn),已經(jīng)成為美國(guó)航空航天工業(yè)界首選的計(jì)算流體力學(xué)分析工具
CFD++是Metacomp Technologies 公司的流體力學(xué)模擬軟件。MetacompTechnologies 公司成立于1994 年12 月，總部位于美國(guó)的洛杉磯，擁有龐大的技術(shù)研發(fā)實(shí)力。
CFD++可以有效的解決流體力學(xué)問(wèn)題中的可壓流（任何馬赫數(shù)）和不可壓流，包括單組分和多組分流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)、多相流、穩(wěn)流和非穩(wěn)流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、熱傳導(dǎo)、多孔介質(zhì)等等。一階、二階和三階的湍流方程，結(jié)合經(jīng)典的壁面方程，可以精確的捕捉壁面附近的流體壓縮參數(shù)、壓力梯度、熱傳導(dǎo)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(tǒng)大渦模擬（LES）的工作量。
先進(jìn)的算法
CFD++提供的Total Variation Diminishing(TVD)格式可以避免在計(jì)算過(guò)程中的假發(fā)散。不同的Riemann求解器保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。先進(jìn)的收斂加速技術(shù)包括獨(dú)特的預(yù)處理、松弛和多重網(wǎng)格等運(yùn)算法則。
CFD++的LES-RANS方法中和
由于傳統(tǒng)的大渦模擬需要的計(jì)算量大，并且在靠近壁面的地方求解不穩(wěn)定，CFD++中采用了一種中和的辦法。即根據(jù)當(dāng)?shù)氐木W(wǎng)格密度，計(jì)算方法在大渦模擬和傳統(tǒng)的雷諾應(yīng)力模型之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換。
網(wǎng)格方面
CFD++可以輕松的處理復(fù)雜的幾何模型，能夠計(jì)算結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)和多塊網(wǎng)格。CFD++同樣可以處理復(fù)雜的重疊網(wǎng)格并修補(bǔ)壞網(wǎng)格。網(wǎng)格類(lèi)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(wǎng)格。
展開(kāi) 
【CAE案例】燃料棒組件LES大渦模擬
測(cè)試是在2.4 m.s-1的流速和20℃的流動(dòng)溫度下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)的參考雷諾數(shù)為66000，滿足求解器測(cè)試湍流狀態(tài)下的模擬結(jié)果。
圖2：裝配葉片的混合格柵的結(jié)構(gòu)視圖
計(jì)算使用的網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共包含4200萬(wàn)個(gè)六面體單元。雖然網(wǎng)格創(chuàng)建復(fù)雜且耗時(shí)，但網(wǎng)格質(zhì)量非常重要，不能引入不適用于LES的網(wǎng)格單元造成數(shù)值耗散。計(jì)算驗(yàn)證了對(duì)數(shù)壁函數(shù)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(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格。
圖3：帶格柵部分（左）和裸束區(qū)（右）網(wǎng)格
根據(jù)先前對(duì)單一燃料棒模擬的經(jīng)驗(yàn)，選擇大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）模型作為湍流模型。
展開(kāi) [案例分析]基于商用軟件FLUENT的LES（大渦模擬）計(jì)算教學(xué)
寫(xiě)在前面
LES的計(jì)算中，實(shí)際上對(duì)網(wǎng)格是有要求滴，這方面內(nèi)容可以從相關(guān)文獻(xiàn)中找到，本文只是針對(duì)LES的計(jì)算設(shè)置進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的2D圓柱擾流講解，不涉及網(wǎng)格要求方面，童鞋們要注意這一點(diǎn)哇！
文主花了兩天時(shí)間學(xué)習(xí)FLUENT中的LES計(jì)算，所以，這實(shí)際上還是蠻簡(jiǎn)單的，只要大體思路成型了，剩下的只是細(xì)節(jié)工作。
這個(gè)就是文主計(jì)算的結(jié)果（延伸段實(shí)際上應(yīng)該更長(zhǎng)一些）
寫(xiě)稿初衷
本文的寫(xiě)稿初衷是因?yàn)楫?dāng)初在各大網(wǎng)站上苦苦找尋LES設(shè)置算例，然而。。。木有找到，因此就想做一個(gè)基于商用軟件FLUENT的LES教程。
選擇FLUENT的原因是因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)童鞋都比較喜歡使用FLUENT來(lái)進(jìn)行流動(dòng)數(shù)值模擬。鑒于FLUENT的受歡迎程度以及初學(xué)者們的需求，本文就基于FLUENT做一次LES計(jì)算的教程。
適宜人群：想學(xué)習(xí)LES計(jì)算、流動(dòng)非定常計(jì)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(jì)算
First Step：前處理
前處理用一句話來(lái)概括就是：準(zhǔn)備計(jì)算網(wǎng)格！
網(wǎng)格這一塊不是LES計(jì)算的重點(diǎn)，因?yàn)槿魏斡?jì)算都要畫(huà)網(wǎng)格，因此建議童鞋們可以參考其他教程單獨(dú)學(xué)習(xí)畫(huà)網(wǎng)格，本教程只作簡(jiǎn)單的介紹。
由于圓柱擾流問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，因此可以直接在ICEM上畫(huà)，思想是：由點(diǎn)構(gòu)成線，再由線構(gòu)成面。
步驟是：
先給出幾何點(diǎn)（比如圓柱的圓心、流域的邊界點(diǎn)）；
通過(guò)點(diǎn)連線，最終得到面（如下圖所示）
到這里就可以畫(huà)網(wǎng)格了，可以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分或者結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，兩種網(wǎng)格FLUENT均能計(jì)算。
文主一般比較喜歡用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，所以在這里展示一下如何畫(huà)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。
展開(kāi) 使用OpenFOAM的實(shí)用大渦仿真（LES）（英文，全套案例） ￥15
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比較 LES 結(jié)果與 k-ω SST RANS 以評(píng)估準(zhǔn)確性和計(jì)算成本
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應(yīng)用工程問(wèn)題中墻體解析與壁面建模 LES 在工程問(wèn)題中的指導(dǎo)
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描述
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大渦仿真（LES）是一種先進(jìn)的湍流建模方法，能夠在建模較小尺度的同時(shí)解析大尺度湍流結(jié)構(gòu)。
展開(kāi) COMSOL 發(fā)布 5.4 版本和兩款全新產(chǎn)品，為用戶帶來(lái)更強(qiáng)大的建模功能
“CFD 模塊” 提供大渦模擬（LES）和全面改進(jìn)的多相流建模工具。
鋼制掛鉤的拓?fù)鋬?yōu)化，仿真根據(jù)不同的載荷工況，確定相應(yīng)的最佳材料分布。
5.4 版本的亮點(diǎn)
COMSOL Compiler：創(chuàng)建獨(dú)立的可執(zhí)行 App。
復(fù)合材料模塊：對(duì)多層材料建模。
COMSOL Multiphysics：“模型開(kāi)發(fā)器” 可以設(shè)置多個(gè)參數(shù)節(jié)點(diǎn)；將 “模型開(kāi)發(fā)器” 中的節(jié)點(diǎn)分組管理；為物理場(chǎng)和幾何選擇添加著色。對(duì)于搭載 8 核以上處理器的計(jì)算機(jī)，Windows? 7 和 10 操作系統(tǒng)中的模型求解速度可提升數(shù)倍。
多物理場(chǎng)：多層薄結(jié)構(gòu)中的傳熱、電流和焦耳熱耦合分析。
電磁學(xué)：易于使用的參數(shù)化線圈和磁芯零件，以及用于射線光學(xué)的結(jié)構(gòu)-熱-光學(xué)性能分析。
力學(xué)：沖擊響應(yīng)譜分析，以及用于增材制造的材料活化。
聲學(xué)：聲學(xué)端口，以及非線性聲學(xué) Westervelt 模型。
流體流動(dòng)：大渦模擬（LES），以及多相流與多體動(dòng)力學(xué)的流-固耦合（FSI）。
傳熱：漫反射-鏡面反射表面與半透明表面的熱輻射，以及光擴(kuò)散方程。
化工：電池集總模型，以及更新的熱力學(xué)接口。
優(yōu)化：新的拓?fù)鋬?yōu)化工具。
支持系統(tǒng)
下列操作系統(tǒng)支持 COMSOL Multiphysics、COMSOL Server 和 COMSOL Compiler 軟件產(chǎn)品：Windows?、Linux? 和 macOS。Windows? 操作系統(tǒng)支持使用 “App 開(kāi)發(fā)器” 工具。
展開(kāi) 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(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) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流全場(chǎng)流動(dòng)的大渦模擬
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) 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中的高性能計(jì)算
盡管如此，它仍然是必不可少的，因?yàn)榻^大多數(shù)實(shí)際的問(wèn)題涉及湍流，因此受到動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的湍流交換的影響。大多數(shù)工業(yè)設(shè)備中湍流場(chǎng)的完全分辨率仍然不切實(shí)際，標(biāo)準(zhǔn)方法是利用雷諾平均值。對(duì)于統(tǒng)計(jì)上固定的場(chǎng)，在一段時(shí)間內(nèi)的時(shí)間平均值比湍流的相關(guān)時(shí)間長(zhǎng)得多。對(duì)于非平穩(wěn)的，我們采用相位平均（對(duì)于統(tǒng)計(jì)周期性的）或在大量實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行整體平均的概念。平均過(guò)程消除了均值-長(zhǎng)度-尺度以下的所有小尺度現(xiàn)象，但由于對(duì)流項(xiàng)的非線性，RANS方程組未公開(kāi)。然后需要一個(gè)閉包模型來(lái)表示丟失的信息。到目前為止，這些模型的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是眾所周知的，并且大量的研究致力于它們的改進(jìn)和擴(kuò)展。
由于增加的計(jì)算機(jī)功率而現(xiàn)在越來(lái)越受歡迎的替代方法是大渦模擬（LES）。
顧名思義，LES試圖明確地解決大規(guī)模的特征，使小規(guī)模特征得不到解決。LES的早期開(kāi)發(fā)和伴隨的子網(wǎng)格閉合建模主要針對(duì)天氣預(yù)報(bào)。在這種情況下，在工程領(lǐng)域，LES方法相對(duì)于RANS方法的主要優(yōu)點(diǎn)是原則上可以明確地解決大多數(shù)含湍流能量的運(yùn)動(dòng)。LES的主要缺點(diǎn)是計(jì)算成本遠(yuǎn)大于RANS，因?yàn)橛捎谕牧鞯男再|(zhì)特性，模擬必然是三維的并且是時(shí)間依賴的，并且不再可能利用統(tǒng)計(jì)對(duì)稱性或平穩(wěn)性。因此，出于工業(yè)目的，RANS仍然是一種受歡迎的選擇。
高性能計(jì)算（HPC）對(duì)CFD領(lǐng)域的影響已經(jīng)在幾個(gè)方面得到了體現(xiàn)。對(duì)涉及不穩(wěn)定性，耦合物理學(xué)和復(fù)雜幾何形狀的更復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行RANS模擬。對(duì)于簡(jiǎn)單的工業(yè)問(wèn)題已經(jīng)變得可行并且正在積極地開(kāi)發(fā)以應(yīng)用于更逼真的幾何形狀。然而，這兩種方法都受到對(duì)小規(guī)模湍流和相關(guān)效應(yīng)的更好模型的需求以及非常大的模擬的計(jì)算成本的阻礙。工業(yè)用戶需要快速周轉(zhuǎn)和高吞吐量，以便將先進(jìn)的CFD集成到設(shè)計(jì)周期中。因此，HPC對(duì)CFD的最大和最直接的影響是直接數(shù)值模擬（DNS）的出現(xiàn)，其中所有的功能都被明確解決，不需要建模。
展開(kāi) 
樹(shù)優(yōu)公司-XFlow培訓(xùn)-無(wú)網(wǎng)格CFD-1-車(chē)身外流氣動(dòng)性能
樹(shù)優(yōu)公司(SOYOTEC)攜手MSC為中國(guó)用戶提供新一代流體力學(xué)分析技術(shù)——XFlow,它基于無(wú)網(wǎng)格、拉格朗日粒子法和大渦模擬(LES) ,已被波音、寶馬、保時(shí)捷等作為CFD工具,節(jié)省昂貴的風(fēng)洞、散熱噪聲試驗(yàn)成本：特點(diǎn)：1. 無(wú)需劃分網(wǎng)格,提高分析效率2. 直接導(dǎo)入CAD,真實(shí)分析復(fù)雜幾何3. 近壁面自動(dòng)提高精度,動(dòng)態(tài)追隨尾流和渦發(fā)展4. 復(fù)雜耦合換熱、跨/超音速、多孔介質(zhì)、非牛頓流問(wèn)題分析5. 物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程和自由液面流場(chǎng)變化
樹(shù)優(yōu)公司-Sculptor-網(wǎng)格變形-車(chē)身外流場(chǎng)優(yōu)化.pdf
如何對(duì)跑車(chē)進(jìn)行 CFD 模擬
在這篇文章中，我們將研究如何使用大渦模擬(LES)模型來(lái)預(yù)測(cè)高速氣流在跑車(chē)車(chē)門(mén)和側(cè)鏡上產(chǎn)生的瞬態(tài)力。然后將這些力作為結(jié)構(gòu)分析中的載荷。
為什么要預(yù)測(cè)跑車(chē)而不是普通汽車(chē)？因?yàn)檫@樣更好玩！因?yàn)槲铱赡苡肋h(yuǎn)不會(huì)擁有一輛超級(jí)跑車(chē)，所以給一輛超級(jí)跑車(chē)建模可能會(huì)讓我獲得一段時(shí)間的滿足感……
蘭博基尼 Miura? 被認(rèn)為是第一輛超級(jí)跑車(chē)。它是從1966—1973 年生產(chǎn)的。這是 1967 年的 P400 模型。在背景右側(cè)，我們可以看到 1972 年發(fā)布的另一款經(jīng)典超級(jí)跑車(chē) Ferrari? 512 BB 的尾部。背景左側(cè)是 De Tomaso Mangusta? 的尾部，帶有經(jīng)典的翼式后窗，也是 1967 年發(fā)布的。 圖片來(lái)自 joergens.mi 自己的作品。通過(guò)Wikimedia Commons 獲得CC BY-SA 3.0許可。
編者注:蘭博基尼和 Miura 是蘭博基尼的注冊(cè)商標(biāo)，Tomaso Mangusta 是 De Tomaso Automobili 公司的注冊(cè)商標(biāo)。Ferrari 是 法拉利 的注冊(cè)商標(biāo)。本文對(duì)于這些商標(biāo)的所有者，不包含任何贊助、支持、從屬關(guān)系或其他聯(lián)系。
大渦模擬模型
大渦模擬（LES）模型的優(yōu)點(diǎn)是它能準(zhǔn)確地評(píng)估流量隨時(shí)間的波動(dòng)。這也意味著它可以評(píng)估作為時(shí)間函數(shù)的車(chē)身表面上的力。我們希望在車(chē)門(mén)和后視鏡的結(jié)構(gòu)分析中使用這些隨時(shí)間波動(dòng)的力作為載荷，然后通過(guò)使用快速傅里葉變換將這些載荷轉(zhuǎn)換到頻域。這將導(dǎo)致通過(guò)觀察載荷激發(fā)的特征模態(tài)來(lái)評(píng)估車(chē)門(mén)和后視鏡振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。
車(chē)門(mén)和后視鏡周?chē)牧鲌?chǎng)取決于汽車(chē)的形狀。為了獲得準(zhǔn)確的流場(chǎng)，我們需要對(duì)整個(gè)汽車(chē)進(jìn)行建模。另外，整車(chē)建模更好玩，如果我們能承擔(dān)計(jì)算成本的話。
流體流動(dòng)分析有些復(fù)雜，因?yàn)槲覀冃枰獮?LES 模型尋找合適的初始條件。
展開(kāi) Fluent仿真實(shí)例-大渦模擬大風(fēng)吹過(guò)圓柱體的噪聲
對(duì)于聲學(xué)仿真，推薦使用LES湍流模型，因?yàn)?em>LES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(cè)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(kāi)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(pán)回車(chē)鍵。命令輸入要英文狀態(tài)，括號(hào)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(pán)輸入才有效，本人親測(cè)過(guò)了，F(xiàn)luent版本是15.0。再次打開(kāi)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(lèi)型為velocity-inlet。
4.2 outlet邊界，邊界類(lèi)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(kāi) Viscous Model之DES（分離渦）——路堤流場(chǎng)分析
隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和計(jì)算算法的發(fā)展，新的算法不斷涌現(xiàn)，分離渦模擬(DES)由于兼有雷諾時(shí)均方法(RANS)和大渦模擬(LES)的優(yōu)點(diǎn)，正受到科研人員的重視：在近壁區(qū)采用RANS模型可以采用較大的網(wǎng)格，縮短計(jì)算時(shí)間，并避免了近壁區(qū)由于氣流強(qiáng)剪切導(dǎo)致的 LES 模擬不準(zhǔn)確的問(wèn)題；在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)采用 LES 又能夠模擬湍流的瞬態(tài)流動(dòng)。
本次以路堤流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)例分析。
模型邊界、計(jì)算區(qū)域如下：
采用ICEM CFD前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到：
3維網(wǎng)格圖：
正面網(wǎng)格圖：
局部網(wǎng)格圖：
輸出mesh文件，在fluent中進(jìn)行設(shè)置：
首先檢查網(wǎng)格，進(jìn)行smooth/swap；
Define-models-solver設(shè)置如下：
Viscous Model中選擇DES，保持默認(rèn)設(shè)置。
由于是空氣流場(chǎng)，故不修改材料屬性；
在入口邊界中給定30m/s；
Solve-Controls-Solution保持默認(rèn)；
殘差不修改；
進(jìn)行流場(chǎng)初始化；
設(shè)置迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.0001，次數(shù)200000（瞬態(tài)流場(chǎng)100000，平均流場(chǎng)100000），一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)最大迭代次數(shù)50；
采用實(shí)驗(yàn)室已有的大型計(jì)算機(jī)群，大概計(jì)算時(shí)間為240個(gè)小時(shí)。
得到瞬態(tài)流場(chǎng)——速度梯度的第二不變量Q=1，采用速度、靜壓渲染：
發(fā)現(xiàn)在路堤后，其湍流現(xiàn)象十分明顯，渦狀態(tài)復(fù)雜。
下圖為流場(chǎng)平均后的壓力云圖：
速度云圖：
除了得到以上的一些云圖以外，還可以得到速度分布，路堤前后的加速、減速效應(yīng)等。這里就不再詳細(xì)分析。
本次只是一個(gè)較為簡(jiǎn)單的路堤分析，與大家進(jìn)行交流學(xué)習(xí)。
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