湍流模拟｜03 稳态与非稳态

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家
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在着手进行RANS模拟之前，我们必须首要深思一个问题：我们将要模拟的流动是稳态的还是非稳态的。尽管所有的湍流流动在本质上都是非稳态的，但在RANS模型框架内，我们真正需要判断的是流动是否表现出稳态特征。这是一个在开始之前可能最难给出确切答案的问题之一。更为复杂的是，这一问题的答案还可能与所采用的RANS模型息息相关。那些旨在预测较大流动分离区域的RANS模型，往往更容易呈现出非稳态的行为；反之，对于那些预测小规模或无分离流动的模型而言，稳态解则相对常见。值得注意的是，那些倾向于描绘较大分离区域的模型，往往能更好地符合实验结果。

对于由于设置而引起的非稳态的问题，如具有移动几何形状的流动，或非稳态的边界条件，情况是很明确的。然而，也有许多的流动场景，其设置是"稳态"的，但流动行为仍然表现出非稳态特性：

钝体后的涡脱落。
弯曲/旋转的涡旋（例如，燃烧室）。
轴向涡轮机中的旋转失速。
…

为了获得稳态解，常见的做法是将数值模拟配置为"稳态条件"并执行案例。若残差的大小收敛至某一"深度"，则表明稳态解已经达成。然而，关于残差收敛到何种程度才算是足够，这并没有一个简单的答案。在某些情况下，三个数量级的残差收敛可能已足够，但在其他情况下，可能需要四个到六个数量级的收敛。因此，建议在特定的监测位置绘制对计算收敛性敏感的物理量曲线，以便于监控收敛过程。同时，在计算进行时，可以展示物理量的分布情况，比如通过xy图或等高线图。一个常见的做法是显示壁面剪应力，以此来评估解决方案是否已经稳定。在使用转捩模型进行模拟时，这一点尤为关键，因为层流与湍流的前沿区域往往需要较长时间才能稳定下来。

遗憾的是，在众多复杂应用场景中，残差的"深度收敛"往往难以实现。这是因为总会存在一些区域，无论计算如何进行，都可能无法达到完全的稳定状态。这其中，一方面是由于物理现象本身的复杂性，另一方面则可能是数值算法或网格质量的限制所导致。

为了评估在这些复杂情况下的计算稳定性，建议设置监测点，并在求解过程中记录这些监测点位置的物理量变化数据。这些物理量可能包括全局参数，如升力或阻力、入口与出口之间的压降、质量流量等，以及特定位置的关键求解变量（如流速u、压力p、温度T等）。监测点应置于流动特性复杂且局部收敛问题可能频发的区域。若残差或监测点的数据未能稳定至可接受的水平，建议转而使用非稳态模式继续模拟。在某些情况下，这种转换有助于最终收敛至稳态。然而，若非稳态行为并非关键因素，而是仅涉及微小的局部扰动，则可能对模拟结果的整体影响有限。若非稳态行为确实至关重要，则只能通过执行非稳态模拟并在运行过程中进行数据平均，以获得时间平均值。此外，创建动画可以帮助我们更深入地理解非稳态行为的成因及其特性。

在最极端的情况下，稳态模拟的设定可能导致求解器进入一个错误的流动状态，这种状态难以摆脱。这通常伴随着残差的不收敛，并且难以与由小规模局部振荡引起的非收敛现象区分开来。这种情况在采用较小欠松弛因子的情况下更为常见，因为这样的因子倾向于"锁定"非物理解。在这种情况下，转换为非稳态模拟设置可能会解决这一问题，并通常会导致流动特性的显著变化，这一点可以通过局部监视点和全局力的大小变化来观察到。

本湍流系列翻译自《Best Practice: RANS Turbulence Modelingin Ansys CFD》，作者F.R. Mentor，发布年份为2022年。

（完）

来源：CFD之道

ACT 燃烧湍流 ANSYS

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首次发布时间：2024-01-16