前沿研究分享：大涡模拟（Large Eddy Simulation）
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文一：
TOSCA——一个用于风电场流量的开源、有限体积、大涡模拟（LES）环境
摘要：
风能项目的数量和规模不断增长，加上高性能计算技术的快速增长，正促使研究人员对整个风电场周围的流场进行大规模模拟。鉴于此类模拟涉及大量自由度，这需要高度并行高效的工具，并对农场规模的物理现象产生有价值的见解，例如重力波与风电场的相互作用和农场-农场尾流相互作用。在当前的研究中，我们介绍了开源的有限体积大涡模拟（LES）代码TOSCA（分层对流大气工具箱），并通过模拟浸没在浅层、常规中性边界层（CNBL）中的有限尺寸风电场周围的流动，最终评估重力波引起的阻塞效应，展示了其能力。湍流流入条件是使用一种新的混合离线-并发前兆方法产生的。使用新型压力控制器强制速度，该控制器允许我们规定所需的平均轮毂高度风速，同时避免科里奥利力引起的大气边界层（ABL）上方的惯性振荡，这是风电场LES研究中的一个已知问题。此外，为了消除潜在温度分布演变对先前研究中观察到的代码架构的依赖性，我们引入了一种方法，使我们能够在整个前驱体模拟过程中保持平均潜在温度分布恒定。此外，我们强调，不同的代码由于其固有的不同数值耗散，在地转强迫下不能预测边界层内的相同速度。所提出的方法使我们能够通过确保不同代码产生的流入条件具有相同的轮毂风和热分层特征来减少这种扩散，而不管采用的前驱运行时间如何。最后，还对周期性风电场内的执行器线和盘模型、CNBL演化和速度剖面进行了验证，以评估TOSCA准确且高效地模拟大规模风电场流量的能力。
图：混合离线-并发前兆方法示意图，包括边界条件（BC）的定义。
图：第1、4、7和10行随轮毂高度速度无量纲化的流向波动剖面，在三列上平均。对于每一行，尾流演变分别在1、2、3和4处报告，下游直径为3和4。
图：风力涡轮机轮毂高度处的瞬时速度（a）和压力（b）的等值线。
图：(a)枢纽高度风速; (b)第一排风力发电场上游的枢纽高度摄动速度。每个上游位置沿着风电场包线内的横向平均。
文二：
基于格子玻尔兹曼方法的非等温封闭空腔气流大涡模拟数值研究
摘要：
本研究在瑞利数达到5.33×10E9的壁面加热腔湍流问题中实现了基于格子玻尔兹曼方法的大涡模拟（LBM-LES）,研究了LBM温度模拟中关键参数的影响，包括离散时间间隔、基于温度效应的离散外力模型和温度离散速度方案，以获得建议值。此外，还将模拟的准确性和计算效率与FVM-LES进行了比较。LBM-LES与实验结果基本一致，精度与FVM-LES相当。然而，极小的离散时间间隔会在高频下引起速度和温度的数值振荡，从而产生显著的误差。离散外力模型的精度满足郭模型>原始模型>何模型。对于温度粒子的离散速度方案，D3Q7已经足够精确，更高的方案（D3Q19和D3Q27）并没有进一步提高精度。LBM-LES和FVM-LES在预测各种物理量方面是一致的，LBM-MLES在近壁区域的精度略高于FVM-LES。LBM-LES的单核和多核计算速度比FVM-LES高4-8倍。LBM-LES的多核并行性也超过了FVM-LES，并且随着CPU内核的增加而变得更加明显。
图：自然对流模拟LBM的框架和工作流程示意图。
图：计算域示意图。
图：LBM和FVM的三维涡量等值面。
图：LBM和FVM之间速度和温度结果的一致性。虚线所夹的范围表示一致性至少为75%。
文三：
城市冠层特征对湍流动力学的影响：大涡模拟的启示
摘要：
在这项研究中，进行了一系列大型模拟，以探索城市冠层内湍流的动力学。在中性的大气条件下，模拟了两个理想化的城市样的几何形状（位于立方体的交错阵列）和一个真正的城市地区（位于中国南部科学技术校园）。结果表明，超密集阵列内的OpenFOAM和PARM之间的分散动量通量存在显着差异。此外，发现空间布局不会对湍流动能的预算产生重大影响。取而代之的是，这主要取决于建筑物表面积与总表面积的比率，即包装密度。此外，在本研究中引入了多尺度耦合的流入边界条件，以模拟真正的城市地区的流量。与天气研究和预测模型数据相比，这种边界条件与激光雷达的测量结果更好。最后，这项研究表明，从Sustech校园获得的平均速度与低密度理想的立方体阵列的数据和相应的城市顶篷模型令人满意。该观察结果表明，部分占领的城市地区内的平均风速与风向相对独立，因此大大改善了城市冠层模型在这种情况下的应用。
图：Wind3D-10K激光雷达（左）安装在南科大校园两栋建筑的中心走廊，如红色方块（右）所示。
图：（左）南方科技大学校园鸟瞰图与（右）相应计算域对比。南科大在谷歌地球的照片。
图：TKE生成的水平切片。
文四：
俯仰水翼空化流的大涡模拟
摘要：
这项数值研究采用先进的计算流体动力学技术来研究NACA 66水翼俯仰周围空化流的复杂物理特性。使用大涡模拟（LES）和K-Omega SST湍流模型进行非定常模拟。俯仰运动范围为0至15◦，包括四个空化数（3.25、3.5、3.75、4）和750000的雷诺数。该研究全面分析了各种流场特征，包括压力分布、速度、涡度、剪切应力、蒸汽体积分数和湍流动能。俯仰的运动学显著影响空化条件下的流体动力载荷和周围的流动结构。流动可视化显示了整个俯仰周期中片状/云状空化、缩口 射流和涡流动力学的演变。显著的研究结果表明，空化数对空腔形状的影响以及攻角、缩口 射流位置和涡流尺寸之间的关系。此外，观察到负涡度扩张与空腔尺寸相关。
图：NACA 66（mod）水翼表面周围生成的二维网格。
图：计算域和边界条件的二维视图。
图：计算域和边界条件的3D视图。
图：观测到的空化模式（左）、K-omega SST模型预测的蒸汽分数（中）和2D-LES模型的预期蒸汽分数。
图：四种不同空化数下的平均压力系数。
文五：
等离子体辅助点火的大涡模拟：脉冲重复频率、脉冲数量和脉冲能量的影响
摘要：
使用数值模拟研究了纳秒放电脉冲序列中脉冲重复频率（PRF）、脉冲数量和每脉冲能量对流动的贫预混合甲烷-空气混合物点火的影响。这些模拟使用了与可压缩反应流求解器耦合的唯象等离子体模型。通过将实验纹影和OH平面激光诱导荧光（PLIF）结果分别与数值纹影（即密度梯度）和OH密度分布进行比较，该模拟策略得到了很好的验证。研究了每个放电脉冲产生的点火核的特性及其相互作用，作为PRF的函数。文献中基于点火核的这种相互作用定义了三种状态——完全耦合、部分耦合和解耦。本研究使用数值模拟来探究在这些不同制度下最终决定点火成功的建设性和破坏性影响。连续脉冲产生的核完全重叠和核之间完全缺乏协同作用，分别归因于完全耦合和解耦状态下点火和火焰传播的成功和失败。在部分耦合状态下，除了扩散损失外，由下一个放电脉冲的冲击转变声波驱动的对流热损失也会导致点火失败。然而，在前一个内核产生的平均温度和自由基浓度较高的区域中，下一个内核的膨胀可能有助于弥合两个内核之间的差距，并导致成功点火。每个脉冲的能量、脉冲数和当量比等重要参数影响着这些建设性和破坏性效应之间的竞争，最终决定了在这种情况下点火的成功。最后，还显示了连续核之间相互作用性质的变化，从解耦到部分耦合，频率相同，但每个脉冲的能量不同。
图：计算域和初始速度轮廓。
图：计算（数值纹影上叠加的OH质量密度）与实验（纹影上覆盖的OH PLIF）：三个初始时间步的演变点火核图。第一列显示了中间平面上的OH密度和数值纹影，第二列显示了中部平面上的OH-密度和横向方向上的路径积分纹影，而第三列显示了Lefkowitz等人再现的右侧实验图像。数值纹影被定义为密度梯度的横向分量。
图：全耦合情况下（300 kHz）数值纹影上的温度——第二脉冲周围的点火核生长（即第二脉冲沉积前后的演变）。
图：在解耦情况下（1.5 kHz），叠加在数值纹影上的温度显示冲击和下游点火核的相互作用可以忽略不计。
