SRS模型的网格分辨率从以下两个方面讨论:
对于壁面边界层,重要的是区分它们是用RANS模型计算的,还是用壁面解析或壁面模拟的LES (WMLES)模式计算的。只有 IDDES 和 SBES 模型才能在 WMLES 模式下可靠地运行。
在RANS模式的情况下,壁面边界层的要求与任何RANS模型相同。对于壁面解析LES,通常建议使用网格间距尺度为Δx+≈40,Δy+≈1,Δz+≈20 的网格, 其中x为流线方向,y为壁面法线方向,z为展向(例如,渠道流动)。然而,在复杂的应用中,区分流向和展向是不可行的,因此则需要Δx+≈20,Δy+≈1,Δz+≈20。这种尺度变换表明,对于壁面有界流动,LES方法具有很强的雷诺数依赖性。
对于WMLES模式中的IDDES和SBES模型,上述要求可放宽。网格间距不再与壁面摩擦力成比例,而是与边界层厚度δ成比例。建议使用Δx≈Δz≈(0.05~0.1)δ。壁面法向分辨率应该类似于RANS模拟中细密的网格分辨率,即意味着近壁面网格分辨率,Δy+≈1,并且在边界层内有大约30个节点。
注意,基于八分树的网格在边界层内的流向、展向和壁面法线方向接近于均匀,因此适用于壁面函数LES(wall-function LES(WFLE))。边界层的最小网格分辨率为每个边界层体积内有5x5x5个单元。
对于自由剪切流动,由于存在许多不同的流动场景,因此很难提供一般的建议。因此,目前的建议是基于最常见(和最频繁)的自由剪切流-湍流混合层。它不一定适用于其他自由剪切流,如射流。建议您进行测试,以获得指定流动的最佳网格分辨率。
对于自由剪切流和SRS模型,应该以均匀的各向同性单元为目标(所有边都有相似的长度)。剪切层应被约10-20个网格单元覆盖。
对于尺度解析模拟(SRS),需要指定的离散化和求解器设置,从而最小的数值花费实现最佳的精度。在开始设置流动案例时,下面给出的建议应该被考虑。它们不是通用的,而是与问题相关的。这些建议是基于不可压缩的单相流动,没有化学反应或其他复杂的附加物理过程。如果您的模拟具有额外的复杂物理效果,则应根据需要相应地调整求解器设置。在大多数情况下,这将意味着必须投入更多的花费在方程的耦合上(例如更小的时间步长,减少欠松弛,更高的迭代次数,更小的残差),以避免不同物理现象的解耦。
对于尺度解析模拟,为在可接受的时间范围内实现准确的结果,最佳的数值求解设置是必不可少的。原因在于SRS模型在所提供网格的分辨率限制下运行,其中最小的尺度与网格间距和时间分辨率为同一量级。因此,必须选择数值设置,以在准确性和鲁棒性之间的实现最佳平衡。
通常建议以一个(合理的)收敛的RANS模型来作为初始解。
在尺度分辨模拟中,湍流结构的时间分辨率是成功模拟的关键。这在最大程度上由所选的时间步长定义。由于SRS模型在网格限制下运行,应该选择一个时间步长,以确保Courant-Friedrichs-Levy (CFL)数为
例如,CFL数由求解器计算,并且可以基于初始 RANS 模拟进行检查。重要的是要强调这不是一个数字限制,求解器将能够支持更大的CFL数。在复杂的应用中,总会有有限的细密网格或较大速度区域,您不应根据这些区域限制CFL数。CFL=1的建议应该应用于的SRS为主的、均匀的各向同性网格的区域。建议您为不同类型的案例选择不同的时间步长并探索其最佳值。这可以大大节省计算成本。
时间导数应由二阶隐式选项计算.
对于 SRS 模型,重要的是最小化离散格式中的数值耗散,以避免数值耗散对最小尺度的阻尼。对于基于压力的求解器,空间离散化的选择是在中心差分(CD)格式和有界中心差分格式(BCD)之间;对于基于密度的求解器,BCD 可与 Roe-FDS 或 AUSM 通量类型一起用于流动方程的离散化,但中心差分格式(CD)不行。中心差分格式耗散最少,并为最小尺度提供最高的求解精度。尤其是对于气动声学模拟,其中较高频率的频谱特征可能很重要。然而,中心差分方案在速度场中容易出现振荡解(棋盘图案)。因此,在使用中心差分方案时,重要的是提供高质量的网格(没有网格跳跃、各向同性网格和关键区域的高分辨率)并避免大的时间步长(主要的 SRS 区域CFL 数应小于 1)。建议定时对求解过程进行可视化监控,以避免浪费计算资源。如果出现振荡,则应该:改进网格;减小时间步长;或者切换到稍微耗散一些但也更稳定的有界中心差分格式。在许多复杂的应用中,有界中心差分方案是首选的数值选项。它通常提供足够低的耗散以允许湍流结构演变,但同时又有能力处理工程模拟中经常遇到的欠佳网格。此外,有界中心差分格式还适用于SAS、DES、SDES和SBES等混合方法,并在高度拉伸的网格和CFL数大于1的情况下,能在RANS区域提供稳定的解。
对于嵌入式LES(ELES), LES 区域中的数值格式可以独立于 RANS 区域中的设置进行单独选择。然后可以使用标准的高阶迎风格式计算 RANS 区域,并且可以使用中心差分格式或有界中心差分格式计算 LES 区域。
对于梯度计算,建议您选择基于 Least Squares Cell Based或 Green-Gauss Node Based,以确保在非正交网格上进行二阶插值。
对于压力插值,建议您使用二阶(second-order)格式,或体积力加权(body-force-weighted)格式。由于其较高的耗散,PRESTO!格式可能导致湍流结构的延迟形成或阻尼。因此不推荐其用于SRS。
由于不同方法之间每次迭代计算的花费都不同,因此迭代格式的选择对计算花费的影响最大。然而,并没有给出直截了当的建议,因为当一种格式每次迭代计算的花费较高时,可以通过在时间步内更快的收敛来抵消。
最快的迭代格式是非迭代时间推进 (Non-Iterative Time Advancement (NITA))格式。这种格式通常适用于有限 LES 区域和网格质量很高的情况。使用CFL 数小于1的小时间步长也很重要。对于NITA格式,所有显式松弛因子默认设置为等于1。对于NITA,如果不涉及更复杂的物理过程,则使用分步法有轻微的优势,否则 PISO 格式可能更好。需要注意的是,对于 LES 模型,您可以启用加速时间推进选项,该选项启用了修改后的 NITA 格式和其他可以进一步加快仿真的设置。
如果应用过于复杂以至于 NITA 方案无法求解,则SIMPLEC或PISO迭代格式是一个更好的选择。相对于SIMPLE方案,这些应该是首选,因为它们能在每个时间步的收敛地更快,并且可以在更激进的松弛因子下运行(松弛因子等于1或接近1)。如果这样的设置使得每个时间步内不收敛,则应该检查时间步长是否足够小,确保在 SRS区域中 CFL 数保持在1以下;如果不是,请尝试减小时间步长。如果不能再减小时间步长,或者减小后也不会得到令人满意的收敛,则将松弛因子减小到默认设置和1之间的值。对于倾斜网格或质量有问题的网格,将压力校正的显式松弛因子减小到 1 中的 0.7 非常有帮助。
每个时间步内的收敛标准将强烈影响求解成本,因为低标准将导致迭代次数增加。 无法提供一般性建议,因为所需的残差取决于应用。 SRS 模型中最相关的残差是连续性残差。 对于 CFL 数 ~ 1,它应该在每个时间步收敛大约 2 个数量级。对于不涉及其他物理模型的流,这应该可以通过每个时间步大约 5-10 次最大迭代来实现。 请务必检查收敛对您的解决方案的影响,以确保将残差减少到与您的问题一致的水平。
对于CFL值较小的模拟,外推变量选项(可在运行计算任务页面中获得)可能非常有益。当基于收敛性准则进行收敛控制时,可将时间步长内的迭代次数大幅减少40%。
如果仿真模型需要结合额外的物理模型,如燃烧或多相,可能需要减少欠弛豫因素。在这种情况下,可以增加每个时间步的最大迭代次数,以达到期望的残差减少。
对于混合 RANS/LES 模拟,例如 SAS、DES、SDES 和 SBES 模型,可能存在流量的 RANS 部分限制收敛的情况(例如,由于电网质量差)。 在这种情况下,应考虑使用耦合求解器。 对于基于耦合压力的求解器,每次迭代通常比 SIMPLEC 算法更昂贵,但这至少部分被更快的收敛所抵消。 关于残差的建议类似于 SIMPLEC 方法,但对于高度不稳定的流动,最大迭代次数可以减少到低至 2-5 的值,对于更敏感的流动和声学模拟,最大迭代次数可以减少到 5-10。
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