湍流大涡数值模拟

湍流大涡数值模拟国防科技大学2020/2/4李桦《湍流》8LargeEddySimulation大涡数值模拟的基本思想是直接计算大尺度脉动，而只对小尺度脉动做模式。所以，实现大涡数值模拟的第一步是把小尺度脉动过滤掉。本节首先介绍过滤方法，然后再导出大尺度运动的控制方程，并介绍小尺度脉动项的封闭模型。大涡模拟的基本思想二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力一、脉动的过滤三、亚格子模型的检验四、复杂流动的大涡数值模拟算例五、关于大涡模拟的几个问题湍流大涡数值模拟内容：一、脉动的过滤一、脉动的过滤湍流速度场一、脉动的过滤常用的均匀过滤器谱空间低通滤波物理空间的盒式滤波器高斯过滤器若k为湍流脉动波数，物理空间的湍流脉动在谱空间的投影为，则谱空间过滤后的脉动可表示为：为各向同性低通滤波ˆfk其中是截断函数，是截断波数。ck一维低通滤波器谱空间的过滤就是令高波数的脉动等于零，相当于对脉动信号做低通滤波。lGklcGkkkˆˆlfGfkkk一、脉动的过滤常用的均匀过滤器谱空间低通滤波物理空间的盒式滤波器高斯过滤器在尺度l上进行的滤波函数记作，则任意湍流脉动的过滤为盒式过滤器对于复杂流动不可能采用谱空间低通滤波，物理空间的低通过滤可以用积分方法实现。lGxfx物理空间的滤波器必须满足正则条件是过滤的空间体积。一、脉动的过滤常用的均匀过滤器谱空间低通滤波物理空间的盒式滤波器高斯过滤器高斯过滤器将过滤函数取作高斯函数。只有高斯滤波器在Fourier积分变换时保持高斯函数形式。应当注意：物理空间的盒式过滤，在的高波数区有微小的泄漏(Gibbs效应)。/kl谱空间的盒式过滤器变换到物理空间时并不是盒式过滤器，而在的盒子以外，过滤函数仍有微小的震荡。/clk一、脉动的过滤脉动速度的分解经过过滤后，湍流速度可以分解为低通脉动，和剩余脉动之和。iuiu低通脉动将由大涡数值模拟方法解出，因此称为可解尺度脉动；剩余脉动称为不可解尺度脉动或亚格子尺度脉动。需要注意一般情况下，—般情况下，物理空间的过滤运算不存在平均和求导的可交换性。二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力大涡模拟的控制方程将N-S方程作过滤，得到如下的方程：令，称为亚格子应力则N-S方程化为右端亚格子应力项不封闭，要实现大涡数值模拟，必须构造亚格子应力的封闭模式。二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力常用的亚格子模型Smargorinsky涡粘模式亚格子应力模型尺度相似模式和混合模式动力模式谱空间涡粘模式结构函数模式理性亚格子模式(CZZS模式）二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力常用的亚格子模型亚格子应力模型——Smargorinsky涡粘模式(1963)假定：各向同性滤波器过滤掉的小尺度脉动局部平衡该模式相当于混合长度形式的涡粘模式。式中Δ是过滤尺度，1/22tSijijCSS为亚格子涡粘系数SC为Smagorinsky常数涡粘型亚格子模式是耗散型的，在各向同性滤波的情况下，它满足模式方程的约束条件。Smagorinsky模式和粘性流体运动的计算程序有很好的适应性，它是最早应用于大气和工程中大涡数值模拟的亚格子应力模式。该模式的主要缺点是耗散过大，尤其在近壁区和层流到湍流的过渡阶段，需要进行修正。二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力常用的亚格子模型亚格子应力模型——尺度相似模式和混合模式（1980）假定：从大尺度脉动到小尺度脉动的动量输运主要由可解尺度脉动中的最小尺度脉动来产生，且过滤后可解尺度脉动的最小尺度脉动速度和过滤掉的小尺度脉动速度相似。SC为模式常数直接数值模拟数据进行过滤检验，可以证实式该模式结果的统计相关性很好。但是，实际算例发现该模式的湍动能耗散太小，往往导致计算发散。于是在实用上常采用一种混合模式，即将尺度相似模式和Smagorinsky模式叠加：这种模式既有和实际亚格子应力的良好相关性，又有足够的湍动能耗散。尺度相似模式混合模式二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力常用的亚格子模型亚格子应力模型——动力模式动力模式其本身并不提出新的模式，它需要有一个基准模式，然后用动态的方法确定基准模式中的系数。动力模式方法需要对湍流场进行多次过滤采用Germano(1991)假定：该式的物理意义是二次过滤后的亚格子应力等于粗、细网格上的亚格子应力差。动力模式需要进行统计平均。理论上，应当进行系综平均；但是非常花费计算时间，很不现实。对于一般复杂湍流，没有统计均匀的方向，难以采用动力模式。Meneveau等(1996，2000)提出沿质点轨迹平均的动态确定模式系数的方法，增加计算量不多，是一种较好方法。二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力常用的亚格子模型亚格子应力模型——谱空间涡粘模式其基础是均匀湍流场中的脉动动量输运公式。谱涡粘模式有较好的理论基础，但谱涡粘模型只能用于均匀湍流。如果可以将涡粘模式的构造方法推广到物理空间，那么模型将有较好的物理基础和应用性。将以上公式在谱空间作过滤，可以获得谱空间的大涡模拟方程。二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力常用的亚格子模型亚格子应力模型——结构函数模式在局部各向同性湍流中，结构函数和湍流脉动的能谱间有确定的关系，以此为桥梁，将谱空间涡粘模式变换到物理空间，从而构成结构函数表示的亚格子模型。2阶结构函数对应结构函数涡粘系数二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力常用的亚格子模型亚格子应力模型——理性亚格子模式(CZZS模式，2004)在可解尺度湍流是局部各向同性和局部均匀的条件下，可以导出可解尺度湍流的Kohnogorov方程，进而导出亚格子涡粘的公式，称它为理性亚格子模型。理性亚格子模式理性亚格子模式的显著特点是没有模式常数。其计算量和一般涡粘模式相当，比动力模式少得多。有人证明，理性亚格子模式可以推广到剪切湍流，数值实验结果证明，在槽道湍流中理性亚格子模型的预测结果优于Smagorinsky模式和动力模式。二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力常用的亚格子模型标量湍流输运的亚格子模型过滤后的标量输运的大涡数值模拟方程亚格子标量输运亚格子标量输运，是大涡数值模拟需要封闭的量。亚格子标量运模划也可以分成三类：涡扩散型、尺度相似型和理性模型。二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力常用的亚格子模型标量湍流输运的亚格子模型——涡扩散型和亚格子动量输运的涡粘模型相对应，认为标量亚格子输运和亚格子动量输运的机制相同。式中称为湍涡扩散系数。i当亚格子动量输运采用涡粘模式，如Smagorinsky模式、谱涡粘模式或结构函数涡粘模式时，亚格子标量输运可采用湍涡扩散模式。二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力常用的亚格子模型标量湍流输运的亚格子模型——尺度相似型模式可以用尺度相似的思想，建立亚格子标量输运封闭式式中CL＝1，或用动力模型方法确定。二、大涡模拟的控制方程和亚格子应力常用的亚格子模型标量湍流输运的亚格子模型——理性亚格子涡扩散模式利用标量结构函数方程，可以导出理性亚格子涡扩散模式标量湍流的亚格子通量三、亚格子模型的检验先验法(Piomelli等，1988)将直接数值模拟的结果进行过滤来计算亚格子应力，将其与亚格子模型公式进行对比验证。后验法将LES算例的结果和相同参数的DNS或实验结果直接进行比较来考察亚格子模型的正确性。三、亚格子模型的检验亚格子模型的检验两种检验方法比较时通过流场的相关系数来判断正确程度。三、亚格子模型的检验先验法比较结果——直槽湍流均匀各项同性湍流场中亚格子应力分布（某时刻）(a)直接数值模拟的过滤结果(b)Smagorinsky模式三、亚格子模型的检验先验法Smagorinsky模式先验检验结果的相关系数很低，这表明Smagorinsky模型的动量输运(是张量)和真实情况相差很大，但是其耗散和实际相差不大。先验法比较结果——直槽湍流尺度相似模型的亚格子湍动能耗散率则远小于实际的亚格子耗散。混合模型既有良好的亚格子动量输运(来自尺度相似模型部分)，又有足够的湍动能耗散(来白Smagorinsky模型)。因此往往能够获得较好的结果。新的理性亚格子模式具有正确的湍动能输运性质，因此其先验结果很好。三、亚格子模型的检验后验法是检验亚格子模型适用性的最有说服力的依据后验比较结果——湍流混合层Vreman等(1997)一个比较完整的亚格子模型的考核结果，考核的标准是同一算例的DNS结果考察变量Smagorinsky模型尺度相似模型基于Smagorinsky模型的动力模式基于混合模型的动力模式总动能差好一般很好总亚格子耗散差好很好好逆传差一般差一般应力分量差好差好一维能谱差差好很好展向涡量差差好很好最大涡量差差好好动量厚度差好差好三、亚格子模型的检验理性亚格子涡粘模式的算例结果(Cui等，2004)后验比较结果——槽道湍流平均速度分布雷诺应力分布湍流强度分布三、亚格子模型的检验理性亚格子涡粘模式的算例结果(Cui等，2004)后验比较结果——槽道湍流从平均速度分布，可看出理性亚格子模型的预测结果优于Smargorinsky模型和动力模型。对于雷诺应力分布，Smargorinsky模型的预测偏离DNS结果很多；理性模型在近壁区优于动力模式，而中心区动力模式较理性模型更接近DNS结果。在近壁区新模型的亚格子雷诺应力分布符合湍流的近壁渐近特性。三、亚格子模型的检验理性亚格子涡扩散模式的算例结果后验比较结果——槽道湍流平均涡量分布（Re=700）标量脉动强度分布平均标量流向通量分布（Re=7000）理性亚格子模式的预测结果都优干Smargorinsky模式和动力模式的结果。四、复杂流动的大涡数值模拟算例四、复杂流动的大涡数值模拟算例一般认为有代表性的湍流流动：湍流复杂程度无分离的二维湍流边界层、直槽和圆管湍流、远场平面射流和尾流等。简单湍流:准平行的平衡剪切流动复杂湍流:简单湍流场中附加剪切或旋转三维湍流边界层、大曲率的湍流边界层和射流、旋转系统的剪切湍流以及钝体分离湍流等。横向喷流湍流，Kleisery，2006四、复杂流动的大涡数值模拟算例算例1平面扩压器平面扩压器的几何外型和网格条件Re/9000bbUv雷诺数bU入口截面的平均速度/2h，入口半高网格（352×64×128）,展向采用均匀网格；流向采用局部加密网格展向采用傅里叶展开，流向和垂向平面上应用有限体积法离散。标准Smagorinsky模型为基准的动力模式。亚格子模型四、复杂流动的大涡数值模拟算例算例1平面扩压器计算结果四、复杂流动的大涡数值模拟算例算例1平面扩压器计算结果四、复杂流动的大涡数值模拟算例算例1平面扩压器计算结果平均速度分布和实验结果符合良好。数值计算的分离点在，实验结果是，两者略有差别。计算的分离泡长度等于52δ，实验结果是47δ。/13x/12xLES计算的峰值大于实验结果l0％～20％。雷诺应力分市的总体情况符合良好，误差在10％～20％。所有统计量在扩压器出口有较大误差。结果还表明，LES能够捕捉流动特征，但是在计算的准确度上还有待改善。特别是扩压器二次流的影响。展向的周期性条件是否能准确计算实际扩压器的二次流值得研究。四、复杂流动的大涡数值模拟算例算例2绕圆柱流动几何外型和网格条件Re3900b流动雷诺数O型网格,圆柱体径向的计算域长度等于60倍的圆柱直径，(Kravchenko和Moin，2000)分别采用Smagorinsky亚格子模型和动力亚格子模型。亚格子模型方法一般有限体积法，对流项常用迎风格式，2阶守恒划中心差分格式或H—Spline迦辽金方法四、复杂流动的大涡数值模拟算例算例2绕圆柱流动网格影响结果当雷诺数等于3900时，通过三组稀密程度不同网格的计算比较，考察计算结果对网格的依赖性。稀网格算例的网格点总数约50万，中等密网格的网格点总数约130万，密网格的网格点总数约240万。三种网格的计算结果几乎一样，说明中等密网格的结果可以采用。(Kravchenko和Moin，2000)数值格式影响结果低