SRS模型｜08 应用总结
本文为SRS模型使用中的一些总结。
9.1 数值设置
如下表所示。
| 项 | 瞬态模拟 | 注释 |
|---|---|---|
| 对流项 | CD/BCD | 简单几何体上的CD（也在LES区域内）。如果计算中出现振荡，则使用BCD（大多数工业情况下） |
| 压力离散 | 除PRESTO!之外都可以 | 仅当出于其他原因需要时才使用PRESTO!。注意，使用PRESTO!会延迟（抑制）湍流结构的初始形成。 |
| 速度梯度 | Least Squares Cell Based | 对SRS无显著影响，通常使用Least Square Cell Based。对于SAS模型，应使用Least Square Cell Based或Green Gauss Node Based的（GGNB）。后者允许对初始不稳定性稍高的灵敏度。 |
| 迭代方法 | SIMPLEC | 仅适用于简单流动的NITA/Fractional Step。 监测器收敛：质量守恒至少1个数量级。具有2-5个内迭代的SIMPLEC。 对于难以收敛的情况，可以尝试使用耦合求解器。其计算成本更高，但所需的内迭代此时可能更少。 将欠松弛因子增加到值~1 |
| 亚松弛 | 取1或接近于1的值 | 从所有URF≈1(通常为0.8.-0.95.)开始计算。当出现收敛问题时减小亚松弛因子。若存在附加物理模型(燃烧、多相流、…)时采用较小的松弛因子计算 |
| 时间离散 | Second Order Backward Euler | 如果可能，在LES区域使用CFL<1。这一条件也可以根据流动的不同而放宽，CFL~5已成功地应用于T形三通测试案例。 |
9.2 模型应用
模型设置。
| 模型 | 应用 | 注释 |
|---|---|---|
| Scale Adaptive Simualtion（SAS) | （1）用于全局不稳定流动 （2）使用CFL~1可获得最佳效果，更高的CFL导致分辨率下降 （3）避免使用PRESTO！格式 （4）在运行过程中仔细检查Q-Criteria，以确保SRS结构 | （1）最安全的SRS模型，因为它在粗网格/时间步长上可以回退到URANS计算 （2）如果流动非稳定性不强，则有陷入URANS模式的危险 |
| Detached Eddy Simulaiton（DES） | （1）用于全局不稳定流动，小心用于局部不稳定流。 （2）始终使用DDES而不是DES，以减少DES限制器对附加边界层的影响-可以使用DDES屏蔽功能。 （3）SRS区域中的网格必须具有LES质量-无RANS后备。 （4）使用CFL~1。 （5）避免PRESTO格式。 （6）在运行过程中仔细检查Q-Criteria，以确保SRS结构 | （1）在不稳定方面比SAS更激进 （2）仔细的网格生成很重要-否则会有网格诱导分离的危险 |
| Shielded Detached Eddy Simulation (SDES) | 改进的DDES版本。它为RAN边界层提供了更好的屏蔽，并对网格长度尺度进行了更积极的定义--从而更快地从RANS过渡到LES。 | 与DDES相似，但改进了屏蔽功能，减少了灰色 区和网格诱导分离。 |
| Stress Blended Eddy Simulation (SBES) | 最优模式，其特点是RANS边界层的渐近屏蔽以及显式切换到LES模型。也可以在WMLES模式下运行 | （1）这是全局和局部不稳定流动的首选模型。 （2）一旦在上游引入LES量，也可以在WMLES模型下使用。湍流量引入可以通过合成湍流或前置的RANS-LES上游转换来实现。 |
| Large Eddy Simulation(LES) | （1）用于自由剪切流动 （2）如果边界层为层流，可使用此模型 （3）仅用于低雷诺数下高网格分辨率的湍流边界层 （4）用于CFL~1 （5）在入口位置使用合成湍流 （6）在运行期间仔细检查Q标准，以确保SRS结构 | 对于壁面边界流来说，通常过于昂贵 |
| Wall Modeled LES(WMLES) | （1）用于中高雷诺数下的壁面边界层流动 （2）壁面边界层网格分辨率10x40x20个网格 （3）用于CFL~1 （4）入口位置使用合成湍流 （5）运行期间检查Q标准，确保SRS结构 | （1）与标准LES相比，雷诺数的缩放更为有利，但仍然非常昂贵。 （2）将壁面区域限制在流场（ELES）的一小部分。 （3）SBES模型（SST WALE）也可以提供WMLES功能 |
| Embedded LES (ELES) Zonal Forced LES (ZFLES) | （1）用于中高雷诺数下的壁面边界层流动 （2）壁面边界层网格分辨率10x40x20个网格 （3）用于CFL~1 （4）RANS/LES界面位置使用合成湍流 （5）运行期间检查Q标准，确保SRS结构 | （1）允许在域的不同部分灵活组合模型。 （2）如果LES域中存在边界层-考虑使用WMLES模型(CFX中默认设置) |
| Vortex Method（VM)-Fluent | （1）用于在RANSLES界面或LES(WMLES)入口生成合成湍流。 （2）将界面区域限制在需要转换湍流的最小截面(不要将LES区域延伸到太远的自由流)。 （3）如果无法避免较大的RANS-LES界面，则增加(并检查)指定的涡流数量。最高可达1e4。 （4）使用CFL~1。 （5）在运行过程中仔细检查Q-Criteria，以确保SRS结构 | 界面的LES区域中的网格必须具有LES质量 |
| Harmonic Turbulence Generator(HTG)-CFX | 将入口区限制在需要转换湍流的LES最小截面（不要将LES区延伸到自由流中） | 界面的LES区域中的网格必须具有LES质量 |
9.3 全局不稳定流动
典型的全局不稳定流动如图所示。
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 案例 | （1）钝体绕流。如建筑物绕流、飞机起落架、混合器中的挡板、汽车后视镜、翼型失速、横流中的车辆等 （2）强旋转不稳定流动。如气体透平燃烧器中的流动、涡生成器中的流动等 （3）具有强流动相互作用的流动。如碰撞流等 |
| 模拟 | （1）SAS型号是最安全的选择，因为其具有RANS后备位置 （2）在SAS未显示足够的已解析湍流量的情况下，DDES/SDES/SBES在“LES”区域提供合适的LES网格 （3）通常SAS和DDES能够提供非常相似的计算结果 （4）最优模型为SBES （5）ELES通常不是必需的。最近，DDES模型已被SDES和SBES模型系列所取代。推荐使用SBES建模方法 |
| 注意 | （1）目测检查湍流结构 （2）运行模型直到统计收敛 |
9.4 局部不稳定流动
典型的局部不稳定流动：
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 案例 | （1）大分离区流动。如后向台阶、大分离的碰撞流、空腔流动、平板混合层流动等 （2）具有弱旋流不稳定性的流动。如低旋流或零旋流燃烧等 （3）具有弱流相互作用的流动。如低动量比横流中的射流等 |
| 模拟 | （1）在几何允许的情况下使用ELES （2）高质量网格的DDES/SDES/SBES及低耗散数值格式CD/BCD （3）最近，DDES模型已被SDES和SBES模型系列所取代。推荐使用SBES建模方法 |
| 注意 | （1）分离剪切层(SSL)的不稳定性问题必须用DDES/SDES/SBES解决。ELES更安全，但通常要昂贵得多 （2）目测检查SSL中的湍流结构 |
9.5 稳定流动
典型的稳定流动：
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 案例 | 附着或轻度分离的壁面有界游动。如边界层流动、槽道/管道流动 |
| 模拟 | 1、如果可以的话，将LES放在单独的区域。 对于较高雷诺数，使用WMLES 可以将较大区域RANS解插值到LES区域边界上 使用入口非定常（合成）湍流，首选涡方法 2、混合RANS-LES模拟中的ELES 定义LES区域。扩大LES区域，在关键区域周围留出空间 将RANS-LES界面置于非临界流动区域（平衡边界层）等 3、全局模型 使用SBES模型并放置合成湍流发生器以强制模型进入WMLES模式 |
| 注意 | （1）目测检查湍流结构 （2）在(WM)LES区域提供足够的网格分辨率，特别是对于有壁面的流动 （3）CFL数<1 |
注：本文译自《Best Practice: Scale-Resolving Simulations in ANSYS CFD》
原文作者：F.R. Menter
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首次发布时间：2021-09-15
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探讨CFD职场生活，闲谈CFD里外
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