大涡模拟应用步骤

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了在Fluent中应用大涡模拟的基本步骤，包括生成入口物理量分布、进行RANS计算、生成初始化湍流脉动、选择LES模型、设置入口边界条件、选择求解算法、确定时间步长、进行求解过程等。其中，一般情况下使用默认的WALE模型即可，在壁面有界流动中，高雷诺数情况下也可以考虑WMLES S-Omega模型。此外，还需要注意确保网格内的Courant数小于1，并设置自动保存和进行足够长时间的计算。最后，进行后处理。

LES使用起来颇为麻烦，下面是在Fluent中应用大涡模的基本步骤。

Step 1：生成入口物理量（速度、湍流等）分布

• 可以在入口上游构建一个周期计算区域，并在该区域进行RANS计算，然后将出口流动数据导出，并将该数据作为真实区域计算的入口条件
• 真实的、非均匀的入口物理量分布允许在LES计算中在入口附近建立可解析的湍流

• 在大涡模拟计算中，为了在入口处产生真实的合成湍流，通常需要入口位置的湍流分布

Step 2：在进行LES计算之前，先在计算区域内进行RANS计算

• 除非初始条件是静止的流场
• 使用生成的入口分布(速度和湍流)作为前置RANS计算的边界条件
• 检查网格分辨率，并根据需要重新设置网格。网格分辨率检查可以利用积分时间尺度与网格尺寸的比值是否大于10来进行判断。

Step 3：生成初始化湍流脉动

• 利用TUI命令/solve/initialize/init-turb-vel-fluctuations。注意，在求解器从稳态切换到瞬态之前，执行此TUI命令
• 此TUI命令执行完毕后，再将求解器从稳态切换到瞬态。

Step 4：选择LES模型

• 进入Viscous面板，选择亚格子尺度模型，如下图所示。
• Smagorinsky-Lilly模型。当选择此模型后，dynamic stress选项可用。如想要使用此模型，建议激活dynamic stress选项以使用Dynamic Smagorinsky-Lilly模型。一般工程问题中并不建议使用纯粹的Smagorinsky-Lilly模型
• WALE模型。此选项为默认选项，绝大多数问题中推荐使用此模型。该模型在简单性和准确性之间进行了良好折衷，同时克服了避免了Smagorinsky模型中的一些问题
• WMLES模型。此模型主要为壁面有界流动而开发，一般用于较高雷诺数流动问题中
• WMLES S-Omega模型。通过使用而不是S计算模型的LES部分，可以认为此模型是WMLES模型的增强版
• Kinetic-Energy Transport模型。此模型可以看做是标准Smagorinsky-Lilly及Dynamic Smagorinsky-Lilly的加强版

总体来说，一般情况下使用默认的WALE模型即可。在壁面有界流动中，高雷诺数情况下也可以考虑WMLES S-Omega模型，其他模型通常都可以忽略。

Step 5：设置入口边界条件

在入口边界处，需要指定以下边界条件：

• 速度分量的分布，若进行了前置RANS模拟，则这些参数值可以直接导入
• 指定 Fluctuating Velocity Algorithm。这里可以指定Vortex Method、Spectral Synthesizer或Synthetic Turbulence Generator (STG)
• 所有的脉动速度算法都需要湍流分布。这些参数也可以从前置RANS计算结果中获取，精确的湍流分布可以确保得到较好的湍流脉动

Step 6：求解算法

如果使用迭代求解，下面是一些推荐的设置：

• Pressure-Velocity Coupling：选择SIMPLEC或PISO。在Controls面板中设置所有变量的亚松弛因子为1或接近为1（0.9~0.7）
• Pressure：选择使用 Second Order，注意不要使用PRESTO！
• Momentum：选择使用 Bounded Central Differencing
• Energy：选择使用 Bounded Central Differencing
• Transient Formulation：使用Bounded Second Order Implicit

如果使用NITA，可以设置Pressure-Velocity coupling为Fractional Step，其他参数设置与迭代求解的设置相同。

Step 7：时间步长

确保网格内的Courant数小于1。这可以用于估算时间步长：

其中为网格尺寸，为局部网格内的平均速度。

Step 8：求解过程

• 监测物理量。如监测力和力矩，速度和压力等物理量随时间变化，主要用于决定取样时机。
• 设置自动保存。LES计算的时间步长通常很小，因此要注意设置文件保存间隔，防止硬盘被撑爆。如果想模拟的是稳态工况，可以只保存最近的若干个文件。
• 持续瞬态计算，直至其达到统计稳定状态

• 激活选项Data Sampling for Time Statistics开启数据采样，指定Sampling Interval及相关参数

• 点击按钮Solution选项卡下的按钮Reset Statistics重设统计

• 进行足够长时间的计算。计算时间越长越好。若计算资源不足，可以取的5~10倍，这里L为系统长度尺度，L0为时均速度。
• 进行后处理