空氣動力學(xué)數(shù)值方法：大渦模擬(LES)：LES湍流模型

空氣動力學(xué)數(shù)值方法：大渦模擬(LES)：LES湍流模型1空氣動力學(xué)數(shù)值方法：大渦模擬(LES)：LES湍流模型1.1緒論1.1.1LES的基本概念大渦模擬（LargeEddySimulation,LES）是一種用于模擬湍流流動的數(shù)值方法，它通過直接求解大尺度渦旋的運(yùn)動方程，而對小尺度渦旋采用亞格子模型進(jìn)行模擬。LES的核心思想是將湍流分解為可以直接計算的大尺度渦旋和需要模型化的亞格子尺度渦旋。這種方法在計算資源有限的情況下，能夠提供比雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）更準(zhǔn)確的湍流流動預(yù)測，尤其是在處理非穩(wěn)態(tài)和復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的流動時。1.1.2LES與RANS的區(qū)別LES與RANS（Reynolds-AveragedNavier-Stokes）的主要區(qū)別在于處理湍流的方式。RANS通過時間平均納維-斯托克斯方程，將湍流效應(yīng)簡化為一個平均流動和一個湍流應(yīng)力項，后者通常通過經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ㄈ鏺-ε模型）來估計。相比之下，LES通過空間濾波，保留了大尺度渦旋的瞬態(tài)特性，而小尺度渦旋則通過亞格子模型來處理，這種方法能夠捕捉到更多的流動細(xì)節(jié)，尤其是在瞬態(tài)和過渡流動中。1.2LES湍流模型1.2.1亞格子模型在LES中，亞格子模型用于描述和模擬那些被濾波過程所忽略的小尺度渦旋。這些模型包括但不限于：Smagorinsky模型：這是最簡單的亞格子模型之一，它假設(shè)亞格子尺度的湍流應(yīng)力與濾波速度梯度的平方成正比。WALE模型：Wall-AdaptingLocalEddy-viscosity模型，它考慮了壁面附近流動的特殊性，提供更準(zhǔn)確的近壁湍流模擬。Dynamic模型：動態(tài)亞格子模型通過求解附加的方程來動態(tài)確定模型參數(shù)，以提高模型的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。Smagorinsky模型示例在OpenFOAM中，使用Smagorinsky模型進(jìn)行LES模擬的設(shè)置如下：#在系統(tǒng)控制文件中設(shè)置湍流模型

turbulence

{

simulationTypeLES;

modelSmagorinsky;

SmagorinskyCoeff0.1;

}

#在邊界條件文件中設(shè)置湍流邊界條件

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(000);

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typefixedValue;

valueuniform0;

}

}1.2.2模型選擇與應(yīng)用選擇LES湍流模型時，需要考慮流動的特性、計算資源的限制以及模型的復(fù)雜度。例如，對于高雷諾數(shù)的流動，Smagorinsky模型可能過于簡單，而動態(tài)模型或WALE模型可能提供更準(zhǔn)確的預(yù)測。在實際應(yīng)用中，通常需要通過數(shù)值實驗來驗證模型的適用性和準(zhǔn)確性。1.3數(shù)據(jù)樣例與代碼解釋1.3.1數(shù)據(jù)樣例假設(shè)我們正在模擬一個通過矩形管道的湍流流動，以下是一個簡化版的邊界條件設(shè)置示例：#簡化版的邊界條件設(shè)置

boundaryField:

inlet:

type:fixedValue

value:uniform(100)#入口速度為1m/s，僅在x方向

outlet:

type:zeroGradient

walls:

type:noSlip1.3.2代碼解釋在上述OpenFOAM的設(shè)置中，SmagorinskyCoeff參數(shù)決定了模型的湍流粘性系數(shù)，通常需要根據(jù)具體流動情況進(jìn)行調(diào)整。邊界條件的設(shè)置中，inlet定義了入口的固定速度邊界，outlet定義了出口的壓力梯度邊界，而walls則使用noSlip條件，表示壁面處的速度為零。通過這些設(shè)置，我們可以啟動LES模擬，以預(yù)測管道內(nèi)湍流流動的瞬態(tài)行為，包括渦旋的生成、發(fā)展和消散過程。這種模擬對于理解湍流流動的物理機(jī)制和優(yōu)化工程設(shè)計具有重要意義。1.4結(jié)論LES作為一種先進(jìn)的湍流模擬方法，通過直接計算大尺度渦旋和模型化小尺度渦旋，能夠在有限的計算資源下提供更準(zhǔn)確的流動預(yù)測。選擇合適的亞格子模型是實現(xiàn)有效LES模擬的關(guān)鍵，而通過數(shù)值實驗驗證模型的適用性是必不可少的步驟。2空氣動力學(xué)數(shù)值方法：大渦模擬(LES)：LES湍流模型2.1LES湍流模型理論2.1.1亞格子尺度模型大渦模擬（LargeEddySimulation,LES）是一種用于模擬湍流流動的數(shù)值方法，其核心在于對流動中的大尺度渦旋進(jìn)行直接數(shù)值模擬，而對小尺度渦旋采用亞格子尺度模型（SubgridScale,SGS）進(jìn)行建模。亞格子尺度模型的目的是為了描述和模擬那些在計算網(wǎng)格中無法直接捕捉到的湍流小尺度效應(yīng)，這些效應(yīng)對流動中的大尺度渦旋有顯著的影響。原理在LES中，流動場被分解為可解尺度和亞格子尺度兩部分。可解尺度是計算網(wǎng)格能夠直接捕捉到的流動特征，而亞格子尺度則是網(wǎng)格無法直接捕捉的，需要通過模型來近似。亞格子尺度模型通過引入額外的應(yīng)力項（SGS應(yīng)力）來模擬小尺度渦旋對大尺度流動的影響。這些應(yīng)力項通?；谕牧鞯慕y(tǒng)計性質(zhì)和網(wǎng)格尺度來計算。2.1.2Smagorinsky模型詳解Smagorinsky模型是最經(jīng)典的亞格子尺度模型之一，由JosephSmagorinsky在1963年提出。該模型基于湍流的粘性效應(yīng)，通過增加一個虛擬的粘性項來模擬亞格子尺度的湍流效應(yīng)。原理Smagorinsky模型假設(shè)亞格子尺度的湍流可以被等效為一個虛擬的粘性效應(yīng)，其表達(dá)式為：τ其中，τij是SGS應(yīng)力張量，νSGSν其中，Cs是Smagorinsky常數(shù)，Δ是網(wǎng)格尺度，S示例假設(shè)我們正在使用OpenFOAM進(jìn)行LES模擬，下面是一個使用Smagorinsky模型的簡單示例。首先，我們需要在constant/turbulenceProperties文件中定義湍流模型：//constant/turbulenceProperties

simulationType

{

RAS

{

RASModelSmagorinsky;

turbulenceon;

printCoeffson;

Cmu0.09;

alpha0.9;

beta0.078;

Prt0.85;

Ceps11.44;

Ceps21.92;

Ck0.09;

Cb10.1355;

Cb20.6973;

Cb30.0;

Cw20.3;

Cw32.0;

kappa0.41;

sigmaK1.0;

sigmaEps1.3;

Prt0.85;

Cdelta2.0;

deltacellD;

CmuLaminar1e-6;

CmuTurbulent0.09;

CdeltaLaminar0.0;

CdeltaTurbulent2.0;

Csmagorinsky0.1;

}在這個例子中，我們定義了Smagorinsky模型，并設(shè)置了Smagorinsky常數(shù)Cs為0.1。接下來，我們需要在system/fvSolution//system/fvSolution

solvers

{

p

{

solverPCG;

preconditionerGAMG;

tolerance1e-06;

relTol0;

}

U

{

solversmoothSolver;

smootherGaussSeidel;

nSweeps2;

}

k

{

solversmoothSolver;

smootherGaussSeidel;

nSweeps2;

}

epsilon

{

solversmoothSolver;

smootherGaussSeidel;

nSweeps2;

}

}

LES

{

printCoeffson;

writeControltimeStep;

writeInterval10;

Cdelta2.0;

Csmagorinsky0.1;

}這里，我們設(shè)置了求解壓力、速度、湍動能和耗散率的求解器參數(shù)，并在LES部分中再次確認(rèn)了Smagorinsky常數(shù)和網(wǎng)格尺度系數(shù)。數(shù)據(jù)樣例為了演示LES模擬，我們使用一個簡單的二維流動案例。假設(shè)我們有一個矩形域，長寬分別為10和1，流動從左向右，速度為1m/s，雷諾數(shù)為10000。我們使用OpenFOAM進(jìn)行模擬，網(wǎng)格大小為0.1，Smagorinsky常數(shù)為0.1。模擬結(jié)束后，我們可以從postProcessing目錄下的profiles文件中提取速度和湍動能的分布數(shù)據(jù)，如下所示：//postProcessing/profiles/0/U.xy

#FieldValue

0.0000000.0000000.000000

0.1000000.0999990.000000

0.2000000.1999980.000000

...

9.9000000.9000020.000000

10.0000001.0000000.000000

//postProcessing/profiles/0/k.xy

#FieldValue

0.0000000.000000

0.1000000.000001

0.2000000.000002

...

9.9000000.000009

10.0000000.000010這些數(shù)據(jù)展示了在不同位置的速度和湍動能的分布，可以用于分析流動的特性。結(jié)論Smagorinsky模型通過增加虛擬粘性來模擬亞格子尺度的湍流效應(yīng)，是LES中常用的模型之一。通過調(diào)整Smagorinsky常數(shù)和網(wǎng)格尺度，可以有效地模擬不同條件下的湍流流動。在實際應(yīng)用中，選擇合適的模型參數(shù)對于獲得準(zhǔn)確的模擬結(jié)果至關(guān)重要。請注意，上述代碼示例和數(shù)據(jù)樣例是基于OpenFOAM的LES模擬過程，實際應(yīng)用中可能需要根據(jù)具體軟件和案例進(jìn)行調(diào)整。3空氣動力學(xué)數(shù)值方法：大渦模擬(LES)：LES湍流模型3.1LES數(shù)值方法3.1.1空間離散化技術(shù)在大渦模擬(LES)中，空間離散化技術(shù)是將連續(xù)的流體動力學(xué)方程轉(zhuǎn)換為離散形式的關(guān)鍵步驟。這通常涉及到對空間導(dǎo)數(shù)的近似，以便在計算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值求解。常見的空間離散化技術(shù)包括有限差分法、有限體積法和有限元法。有限差分法示例假設(shè)我們有如下的偏微分方程：?其中u是速度，f是依賴于位置和速度的函數(shù)。我們可以使用中心差分法來離散化這個方程：importnumpyasnp

#定義網(wǎng)格和參數(shù)

dx=0.1#空間步長

x=np.arange(0,10,dx)#空間網(wǎng)格

u=np.zeros_like(x)#初始速度分布

f=np.sin(x)#示例函數(shù)f(x)

#中心差分法計算空間導(dǎo)數(shù)

du_dx=np.gradient(u,dx)

#更新速度分布

u[1:-1]=u[1:-1]+f[1:-1]*dx

#邊界條件處理

u[0]=u[1]#假設(shè)左邊界速度等于第一個網(wǎng)格點

u[-1]=u[-2]#假設(shè)右邊界速度等于最后一個網(wǎng)格點在這個例子中，我們使用了numpy的gradient函數(shù)來計算中心差分，然后根據(jù)方程更新了速度分布。有限體積法示例有限體積法通過在每個控制體積上應(yīng)用積分形式的守恒定律來離散化方程。下面是一個簡單的有限體積法示例，用于求解一維的連續(xù)性方程：importnumpyasnp

#定義網(wǎng)格和參數(shù)

dx=0.1#空間步長

x=np.arange(0,10,dx)#空間網(wǎng)格

rho=np.ones_like(x)#初始密度分布

rho_in=1.5#入口密度

#更新密度分布

rho[1:]=rho[1:]-(rho[1:]-rho_in)*dx

#邊界條件處理

rho[0]=rho_in#入口邊界密度在這個例子中，我們假設(shè)入口邊界有更高的密度，然后根據(jù)有限體積法的原理更新了整個網(wǎng)格上的密度分布。3.1.2時間積分方案時間積分方案用于在時間上推進(jìn)流體動力學(xué)方程的解。常見的方法包括歐拉法、Runge-Kutta法和Adams-Bashforth法。歐拉法示例歐拉法是一種簡單的時間積分方案，它使用當(dāng)前時間步的導(dǎo)數(shù)來預(yù)測下一個時間步的解。下面是一個使用歐拉法的時間積分示例：importnumpyasnp

#定義時間參數(shù)

dt=0.01#時間步長

t=np.arange(0,1,dt)#時間網(wǎng)格

u=np.zeros_like(t)#初始速度分布

u[0]=1#初始條件

#定義速度變化率函數(shù)

defdu_dt(u,t):

return-u+np.sin(t)

#使用歐拉法更新速度分布

foriinrange(len(t)-1):

u[i+1]=u[i]+du_dt(u[i],t[i])*dt在這個例子中，我們定義了一個速度變化率函數(shù)du_dt，然后使用歐拉法在時間上推進(jìn)速度分布。Runge-Kutta法示例Runge-Kutta法是一種更精確的時間積分方案，它通過計算多個斜率來預(yù)測下一個時間步的解。下面是一個使用四階Runge-Kutta法的時間積分示例：importnumpyasnp

#定義時間參數(shù)

dt=0.01#時間步長

t=np.arange(0,1,dt)#時間網(wǎng)格

u=np.zeros_like(t)#初始速度分布

u[0]=1#初始條件

#定義速度變化率函數(shù)

defdu_dt(u,t):

return-u+np.sin(t)

#使用四階Runge-Kutta法更新速度分布

foriinrange(len(t)-1):

k1=du_dt(u[i],t[i])

k2=du_dt(u[i]+k1*dt/2,t[i]+dt/2)

k3=du_dt(u[i]+k2*dt/2,t[i]+dt/2)

k4=du_dt(u[i]+k3*dt,t[i]+dt)

u[i+1]=u[i]+(k1+2*k2+2*k3+k4)*dt/6在這個例子中，我們使用了四階Runge-Kutta法來更準(zhǔn)確地在時間上推進(jìn)速度分布。通過這些空間離散化技術(shù)和時間積分方案，大渦模擬(LES)能夠在計算流體力學(xué)(CFD)中有效地模擬湍流現(xiàn)象，提供對復(fù)雜流體動力學(xué)問題的深入理解。4空氣動力學(xué)數(shù)值方法：大渦模擬(LES)：LES湍流模型4.1LES的實施與應(yīng)用4.1.1LES網(wǎng)格設(shè)計大渦模擬（LargeEddySimulation,LES）是一種用于模擬湍流流動的數(shù)值方法，它通過直接求解大尺度渦旋的運(yùn)動，而對小尺度渦旋采用模型進(jìn)行近似，從而在計算資源有限的情況下，能夠捕捉到流動中的主要物理現(xiàn)象。LES網(wǎng)格設(shè)計是LES實施中的關(guān)鍵步驟，直接影響到模擬的準(zhǔn)確性和計算效率。網(wǎng)格分辨率LES要求網(wǎng)格能夠分辨流動中的大尺度渦旋，而對小尺度渦旋則不需要高分辨率。通常，LES網(wǎng)格的大小應(yīng)與流動中的最大渦旋尺度相當(dāng)，而最小網(wǎng)格尺寸應(yīng)能夠捕捉到能量譜中的轉(zhuǎn)折點，即Kolmogorov尺度。網(wǎng)格類型LES中常用的網(wǎng)格類型包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在規(guī)則幾何形狀中使用，易于生成且計算效率高。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則適用于復(fù)雜幾何形狀，能夠更好地適應(yīng)邊界層和流動分離區(qū)域。網(wǎng)格適應(yīng)性為了提高計算效率和準(zhǔn)確性，LES網(wǎng)格設(shè)計中常采用網(wǎng)格適應(yīng)性技術(shù)，即在流動的關(guān)鍵區(qū)域（如邊界層、渦旋核心）使用更細(xì)的網(wǎng)格，而在流動相對平緩的區(qū)域使用較粗的網(wǎng)格。4.1.2LES在航空領(lǐng)域的應(yīng)用LES在航空領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，包括飛機(jī)翼型的氣動噪聲預(yù)測、發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)的湍流燃燒模擬、以及飛機(jī)在不同飛行條件下的氣動性能分析等。飛機(jī)翼型氣動噪聲預(yù)測飛機(jī)在飛行過程中，翼型周圍的湍流流動會產(chǎn)生氣動噪聲，影響飛行體驗和環(huán)境。LES能夠詳細(xì)模擬翼型周圍的湍流結(jié)構(gòu)，從而預(yù)測氣動噪聲的產(chǎn)生機(jī)制和頻譜特性。發(fā)動機(jī)燃燒室湍流燃燒模擬發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)的湍流燃燒過程對發(fā)動機(jī)性能和排放有重要影響。LES能夠模擬燃燒室內(nèi)復(fù)雜的湍流流動和燃燒反應(yīng)，幫助優(yōu)化燃燒室設(shè)計，減少排放。飛機(jī)氣動性能分析LES能夠模擬飛機(jī)在不同飛行條件下的氣動性能，包括升力、阻力和穩(wěn)定性等。這對于飛機(jī)設(shè)計和飛行控制策略的優(yōu)化至關(guān)重要。4.2示例：LES網(wǎng)格設(shè)計與應(yīng)用4.2.1示例1：LES網(wǎng)格設(shè)計假設(shè)我們正在設(shè)計一個LES網(wǎng)格，用于模擬一個NACA0012翼型周圍的湍流流動。翼型的長度為1米，我們希望網(wǎng)格能夠分辨到Kolmogorov尺度，假設(shè)Kolmogorov尺度為0.001米。#導(dǎo)入必要的庫

importnumpyasnp

#定義翼型的長度和Kolmogorov尺度

wing_length=1.0

kolmogorov_scale=0.001

#計算網(wǎng)格的最小尺寸

min_grid_size=kolmogorov_scale

#計算網(wǎng)格的最大尺寸

max_grid_size=wing_length/10

#生成網(wǎng)格尺寸

grid_sizes=np.linspace(min_grid_size,max_grid_size,100)

#輸出網(wǎng)格尺寸

print(grid_sizes)4.2.2示例2：LES在飛機(jī)翼型氣動噪聲預(yù)測中的應(yīng)用使用LES模擬NACA0012翼型周圍的湍流流動，以預(yù)測氣動噪聲。#導(dǎo)入LES模擬庫

importpyLES

#定義翼型參數(shù)

wing_type='NACA0012'

wing_length=1.0

wing_chord=0.1

#定義流動參數(shù)

flow_velocity=100.0

flow_density=1.225

flow_viscosity=1.81e-5

#創(chuàng)建LES模擬對象

les_simulation=pyLES.LESSimulation(wing_type,wing_length,wing_chord,

flow_velocity,flow_density,flow_viscosity)

#運(yùn)行LES模擬

les_simulation.run()

#分析氣動噪聲

noise_spectrum=les_simulation.analyze_noise()

#輸出氣動噪聲頻譜

print(noise_spectrum)在這個例子中，我們使用了一個假設(shè)的pyLES庫來創(chuàng)建和運(yùn)行LES模擬。實際應(yīng)用中，可能需要使用如OpenFOAM、FLUENT等專業(yè)軟件進(jìn)行LES模擬。通過以上示例，我們可以看到LES網(wǎng)格設(shè)計和應(yīng)用的具體實施過程，以及如何通過LES模擬來預(yù)測和分析航空領(lǐng)域中的關(guān)鍵物理現(xiàn)象。5案例研究5.1LES模擬繞流5.1.1原理與內(nèi)容大渦模擬（LargeEddySimulation,LES）是一種用于預(yù)測湍流流動的數(shù)值方法，它通過直接求解大尺度渦旋的運(yùn)動，而對小尺度渦旋采用模型進(jìn)行近似，從而在計算成本和精度之間找到平衡點。在繞流問題中，LES能夠捕捉到流體繞過物體時形成的復(fù)雜渦旋結(jié)構(gòu)，這對于理解流動分離、渦旋脫落等現(xiàn)象至關(guān)重要。模型描述LES中，湍流模型通?；诔叨确纸?，將速度場分解為平均速度和湍流速度波動。尺度分解后的Navier-Stokes方程稱為過濾方程，其中包含了雷諾應(yīng)力項，需要通過湍流模型來閉合。常見的LES湍流模型包括：Smagorinsky模型：這是最早的LES模型之一，通過引入一個動態(tài)粘性系數(shù)來模擬小尺度渦旋的效應(yīng)。WALE模型：Wall-AdaptingLocalEddy-viscosity模型，它在Smagorinsky模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，以更好地適應(yīng)近壁面流動。DynamicLES模型：動態(tài)LES模型通過求解附加的方程來動態(tài)調(diào)整模型參數(shù)，以提高模型的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。示例：使用OpenFOAM進(jìn)行LES繞流模擬在OpenFOAM中，可以使用simpleFoam求解器進(jìn)行LES模擬。下面是一個使用simpleFoam進(jìn)行繞流模擬的簡單示例：#創(chuàng)建案例目錄

mkdir-p$FOAM_RUN/tutorials/simpleFoam/LES/cylinder

cd$FOAM_RUN/tutorials/simpleFoam/LES/cylinder

#復(fù)制案例文件

cp-r$FOAM_TUTORIALS/simpleFoam/LES/cylinder.

#進(jìn)入案例目錄

cdcylinder

#檢查網(wǎng)格

foamInfo-casecylinder

#運(yùn)行LES模擬

simpleFoam-casecylinder-parallel

#后處理結(jié)果

postProcess-func"slice"-casecylinder在constant/turbulenceProperties文件中，可以指定LES湍流模型：simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModelLES;

turbulenceon;

printCoeffson;

LESModeldynamicSmagorinsky;

}5.1.2數(shù)據(jù)樣例假設(shè)我們有以下網(wǎng)格數(shù)據(jù)和初始條件：網(wǎng)格數(shù)據(jù)：system/blockMeshDict文件定義了一個圍繞圓柱體的計算域，包括邊界條件和網(wǎng)格尺寸。初始條件：0目錄下包含U（速度場）和p（壓力場）的初始分布。網(wǎng)格數(shù)據(jù)示例system/blockMeshDict文件內(nèi)容示例：convertToMeters1;

//Meshgrading

grading(111);

//Meshdefinition

blocks

(

hex(01234567)(1005050)simpleGrading(111)

);

//Boundaryconditions

boundary

(

inlet

{

typepatch;

faces

(

(0154)

);

}

...

);初始條件示例0/U文件內(nèi)容示例：dimensions[01-10000];

internalFielduniform(010);

boundaryField

{

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);

}

...

};5.2LES在噴射流中的應(yīng)用5.2.1原理與內(nèi)容噴射流是空氣動力學(xué)中常見的流動現(xiàn)象，特別是在航空發(fā)動機(jī)和噴氣推進(jìn)系統(tǒng)中。LES在噴射流中的應(yīng)用能夠提供關(guān)于噴射流內(nèi)部結(jié)構(gòu)、混合過程以及噪聲產(chǎn)生的詳細(xì)信息，這對于設(shè)計更高效、更安靜的噴射系統(tǒng)至關(guān)重要。模型描述在噴射流的LES模擬中，除了基本的LES湍流模型，還需要考慮噴射流的特殊性，如噴嘴出口的邊界條件、噴射流與周圍介質(zhì)的相互作用等。此外，噴射流中的化學(xué)反應(yīng)和燃燒過程也需要通過適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠硖幚恚纾篍ddyDissipationModel(EDM)：用于模擬湍流中的化學(xué)反應(yīng)速率。PDF模型：ProbabilityDensityFunction模型，用于處理湍流中的燃燒過程，特別適用于非預(yù)混燃燒。示例：使用OpenFOAM進(jìn)行LES噴射流模擬在OpenFOAM中，可以使用rhoCentralFoam求解器進(jìn)行包含化學(xué)反應(yīng)的LES噴射流模擬。下面是一個使用rhoCentralFoam進(jìn)行噴射流模擬的簡單示例：#創(chuàng)建案例目錄

mkdir-p$FOAM_RUN/tutorials/rhoCentralFoam/LES/jet

cd$FOAM_RUN/tutorials/rhoCentralFoam/LES/jet

#復(fù)制案例文件

cp-r$FOAM_TUTORIALS/rhoCentralFoam/LES/jet.

#進(jìn)入案例目錄

cdjet

#檢查網(wǎng)格

foamInfo-casejet

#運(yùn)行LES模擬

rhoCentralFoam-casejet-parallel

#后處理結(jié)果

postProcess-func"slice"-casejet在constant/turbulenceProperties文件中，可以指定LES湍流模型和燃燒模型：simulationTypeRAS;

RAS

{

RASModeldynamicSmagorinsky;

turbulenceon;

printCoeffson;

combustionModelEDM;

}5.2.2數(shù)據(jù)樣例假設(shè)我們有以下網(wǎng)格數(shù)據(jù)和初始條件：網(wǎng)格數(shù)據(jù)：system/blockMeshDict文件定義了一個圍繞噴嘴的計算域，包括邊界條件和網(wǎng)格尺寸。初始條件：0目錄下包含U（速度場）、p（壓力場）和Yi（組分濃度）的初始分布。網(wǎng)格數(shù)據(jù)示例system/blockMeshDict文件內(nèi)容示例：convertToMeters1;

//Meshgrading

grading(111);

//Meshdefinition

blocks

(

hex(01234567)(1005050)simpleGrading(111)

);

//Boundaryconditions

boundary

(

nozzle

{

typepatch;

faces

(

(0154)

);

}

...

);初始條件示例0/U文件內(nèi)容示例：dimensions[01-10000];

internalFielduniform(010);

boundaryField

{

nozzle

{

typefixedValue;

valueuniform(10000);

}

...

};0/Yi文件內(nèi)容示例：dimensions[0000100];

internalFielduniform(0.050.95);

boundaryField

{

nozzle

{

typefixedValue;

valueuniform(10);

}

...

};通過以上示例，我們可以看到如何在OpenFOAM中設(shè)置和運(yùn)行LES模擬，無論是繞流問題還是噴射流問題，關(guān)鍵在于正確設(shè)置湍流模型和邊界條件，以及合理選擇網(wǎng)格和初始條件。6高級主題6.1LES與直接數(shù)值模擬(DNS)的比較大渦模擬（LargeEddySimulation,LES）和直接數(shù)值模擬（DirectNumericalSimulation,DNS）是空氣動力學(xué)中用于研究湍流的兩種主要數(shù)值方法。它們在處理湍流問題時各有優(yōu)勢和局限性。6.1.1直接數(shù)值模擬(DNS)DNS是一種完全解析湍流所有尺度的數(shù)值方法，它能夠直接求解Navier-Stokes方程，無需任何湍流模型。這意味著DNS可以提供湍流的最詳細(xì)信息，包括所有渦旋結(jié)構(gòu)的大小、形狀和動力學(xué)特性。然而，DNS的計算成本極高，因為它需要在所有空間和時間尺度上進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，這在實際工程應(yīng)用中通常是不可行的。DNS的適用場景基礎(chǔ)湍流研究：用于理解湍流的基本物理機(jī)制。小尺度流動：如實驗室尺度的流動，可以使用高分辨率的計算資源。6.1.2大渦模擬(LES)與DNS不同，LES是一種部分解析、部分模型化的方法。它通過濾波技術(shù)將流動分解為大尺度和小尺度渦旋，直接求解大尺度渦旋，而小尺度渦旋則通過湍流模型來模擬。這種方法大大降低了計算成本，使得LES在工程應(yīng)用中更為實用。LES的適用場景工程設(shè)計：如飛機(jī)、汽車的空氣動力學(xué)設(shè)計。環(huán)境流體力學(xué)：如風(fēng)力發(fā)電、大氣污染擴(kuò)散等。6.1.3LES與DNS的對比計算成本：DNS需要極高的計算資源，而LES通過模型化小尺度渦旋，顯著降低了計算需求。適用范圍：DNS適用于基礎(chǔ)研究和小尺度流動，而LES更適用于工程設(shè)計和環(huán)境流體力學(xué)等實際應(yīng)用。數(shù)據(jù)精度：DNS提供最精確的湍流數(shù)據(jù)，而LES在大尺度渦旋的精度上與DNS相當(dāng)，但在小尺度渦旋的精度上依賴于所選的湍流模型。6.2LES模型的最新進(jìn)展近年來，LES模型在理論和應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展，特別是在湍流模型的改進(jìn)和高精度數(shù)值算法的開發(fā)上。6.2.1湍流模型的改進(jìn)動態(tài)LES模型：動態(tài)LES模型能夠根據(jù)流動的局部特性調(diào)整模型參數(shù)，提高了模型的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的LES模型：利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來預(yù)測小尺度渦旋的行為，這為LES模型的精度提升開辟了新途徑。6.2.2高精度數(shù)值算法高階時間積分方法：如Runge-Kutta方法，提高了時間步長的精度，減少了計算時間。自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)：根據(jù)