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湍流建模|08混合RANS-LES模型

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导读:介绍混合RANS-LES模型。

尺度解析仿真SRS      

     

尺度解析仿真Scale-Resolving Simulation (SRS)

  • SRS是指所有湍流模型,至少在一部分流场区域了一部分湍流频谱;
  • SRS是一个研究非常深入的领域,并探索了许多新的模型。Ansys中包括的SRS模型有:
  • 大涡模拟-Large Eddy Simulation (LES)
  • 尺度自适应模拟-Scale-Adaptive Simulation (SAS)
  • 混合RANS-LES方法-Hybrid RANS-LES Methods (DES …)
  • 应力混合涡流-Stress-Blended Eddy Simulation (SBES) model
  • 嵌入和分区LES-Embedded and Zonal LES (ELES)
  • 壁面建模-Wall Modelled LES (WMLES)
SRS的动机      

     
  • 对RANS方法准确性的提升:
    • 减少了CFD模拟中相对于RANS的不确定性;
    • 具有大分离区的气流(停止的机翼/机翼、流过建筑物、涡流不稳定等)。
  • 需要额外的信息:
    • 声学-来自RANS的不可靠的声学频谱信息;
    • 涡空化,涡内低压引起空化,需要分辨涡;
    • 流体-结构相互作用(FSI)-非定常力决定了固体的频率响应。
混合RANS-LES方法的动机      

     
  • 壁面约束流
    • 壁面边界流动的LES成本过高;
    • RANS模型对于纯壁面边界层的精度通常是可以接受的。
  • 自由剪切流
    • 自由剪切流动的LES比壁面边界层的成本要低得多;
    • 对于复杂的自由剪切流,RANS模型经常会严重失败,甚至会导致不正确的流拓扑结构。
  • Spalart 1997提出分离涡流模拟(DES)-结合RANS和LES成混合RANS-LES模型
分区域与全局RANS-LES混合方法      

     
  • 分区域RANS-LES(Zonal RANS-LES):
    • 由用户选择RANS模型和LES模型
    • 由用户选择RANS和LES的区域
    • 用户定义的界面,合成湍流发生器(STG)转移建模的RANS湍流到解决的LES湍流
  • 全局RANS-LES模型:
    • 由用户直接选择混合模型(SAS、DES、SEES...);
全局RANS-LES混合方法应用场景      

     
  • 拐角处的流动分离:
    • 边界层采用RANS
    • 自由剪切流采用LES
  • 流动分离和再附着:
    • 在台阶下游,流体模型采用LES
    • 在下游方向的粗网格恢复到RANS
  • 壁面约束流
    • 混合模型or WMLES
SA模型概念      

     
  • SAS:尺度自适应仿真模型Scale-Adaptive Simulation,是一个高级的URANS,它可以在强不稳定的流中切换到比例解析模式;
  • 它是基于Rotta的精确定义和输运方程,他重新制定了第二个湍流尺度的方程;
  • 包含了尺度方程中二阶速度空间的导数:
 
  • 基于𝑈”,尺度方程能够调整到流中的解析尺度
  • 该模型实际上可以在LES模式下运行,它可以自行完成模型的切换:由于没有不稳定性,它将在边界层中停留在RANS下;一旦形成不稳定性,就会形成小的结构,并且二阶导数会识别这些结构并相应降低涡流粘度,从而使模型停留在LES下。
  • SAS建模可以与现有的RANS模型(e-或w)一起使用;
  • ANSYS建议使用SBES而不是SAS,因为SAS需要一个强大的流量不稳定性才能切换到LES模式;
  • SAS的优点是,当网格变得变粗或时间步长变大时(不像DES模型),它可以转换回RANS模型。
SST的分离涡流模拟(DES)      

     

经典的全局混合模型,分离涡模拟(DES),顾名思义,LES仅存在于流动的分离区域中。

RANS中的k方程:

 

LES中的k方程:

 

DES中的k方程:

 
  • DES的公式非常简单。它将网格间距Δ引入到k-方程中。如果是,则模型将切换到LES公式。
DES模型的网格依赖性      

     
  • 网格依赖性是危险的,因为它可能会对DES下的RANS模型产生负面影响:
    • 当      时,边界层中的精细网格会破坏RANS;
    • 在这种情况下,模型切换到“LES”模式,但网格对于边界层LES还不够好;
    • 此外,该点的上游流量为稳定的RANS(无LES含量);
    • 这常常导致网格诱导分离(GIS),这是非物理现象。    
  • SST模型对分离点提供了很好的估计
  • 由于网格影响RANS溶液的DES-SST模型,将分离点移到上游位置——网格诱导分离(GIS)
  • GIS完全依赖于网格-这是不可接受的!
  • 进一步发展DES模型的原因之一是:
    • Menter和Kuntz提出了边界层屏蔽,以减少D对边界层的影响。屏蔽是基于SST函数的
    • Spalart和Strelets提出了类似于延迟离散涡流模拟(DDES)的类似函数
DDES模型      

     

延迟分离涡仿真Delayed Deatched Eddy Simulation(DDES)

  • DES项:
 
  • DDES项:
 
  • 其中      表示屏蔽函数:
 
  • 基于壁面距离;
  • DDES屏蔽函数不会一直延伸到边界层边缘;
  • 没有完美的屏蔽-在严格的网格细化下,将再次发生网格诱导分离。    
DDES的屏蔽函数      

     
  • 自然屏蔽与屏蔽功能相结合
  • 网格细化的影响被“延迟”到约𝛥𝑚𝑎𝑥<0.2𝛿(𝛿-边界层厚度)
  • 然而,网格的影响要大得多
    • 细化的边际变化导致了涡旋粘度的强烈变化;
    • DES项对屏蔽函数的非线性反馈;
    • 被自相似边界层方程夸大-假设边界层的运行长度无限。
最优全球混合RANS-LES模型的目标      

     
  • 完美的屏蔽函数
    • 边界层不受LES网格影响的任何网格细化;
  • 针对RANS和LES模型的构建块选择
    • 用户可以分别选择RANS和LES模型——它们被嵌入到RANS模型中;
  • 明确显示RANS和LES区域
    • 混合功能,向用户显示模型的哪个模式被使用在流动的哪个区域;
  • 从RANS到LES的快速“过渡”
    • 由于“RANS-LES过渡”是非物理的,最优模型在模态之间快速过渡(从稳定的RANS到LES湍流)。
改进的SDES/SBES模型的屏蔽功能      

     
  • 新的屏蔽功能覆盖了整个边界层;
  • 向下屏蔽到非常细的网格间距
  • 在新的SBES/SDES型号中没有GIS    
屏蔽DES模型      

     
  • SDES–Shielded DES
  • 在DDES和SDES之间有两个区别
    • 网格长度比例尺的替代定义;
    • 优化系数;
    • 在RANS和LES之间更快的切换。
    • 改进的屏蔽(渐近屏蔽)-防止GIS
    • DES限制器的不同定义
  • 与DDES相比,SDES使高拉伸网格的涡旋粘度降低了60倍;
  • 然而,-SDES本质上是向应力混合涡流模拟(SBES)迈出的一步,它优于DES。
应力混合涡流模拟公式(SBES)      

     

SBES-Stress-Blended Eddy Simulation

  • 在应力水平上的混合:
 
  • 对于涡流粘度模型,它可以转化为:
 
  • 底层的RANS和LES模型不受影响;
  • 原则上,任何RANS模型都可以与任何应力LES模型结合起来;
  • 所有的复杂性都在混合函数$𝑓_{𝑆𝐵𝐸}中。
总结      

     
  • Ansys认为SBES为最优的全局RANS-LES模型公式:
    • SBES混合功能清楚地显示了RANS和LES的使用区域;
    • 在RANS模式下,无论使用的网格如何,SBES都能有效地保护附加的边界层;
    • SBES允许选择用户指定的RANS和LES模型;
    • 对于自由剪切流,SBES使混合层中三维湍流的发展更加迅速,其结果与实验数据吻合较好;
    • SBES能够使用WMLES;
    • SBES已经被用于复杂的应用程序(例如F1汽车等);
    • SBES应该作为大多数应用程序的选择方法。
  • 比例自适应模拟(SAS)模型
    • SAS需要强烈的流量不稳定性才能切换到LES;
    • SAS在时间和空间分辨率对SBES来说过于粗糙。
  • WMLES
    • 避免了在边界层一个用LES,但计算成本高昂;
    • 技术还不成熟,而且仍在不断发展。
  • 嵌入式LES
    • 允许在简化域中使用LES/WMLES。


来源:BB学长
非线性湍流汽车建筑声学ANSYS
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-06-24
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BB学长
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