湍流模型选择：尺度解析模型探讨

RANS 模型的替代方案是为至少一部分流动域解析至少一部分湍流的模型。这种模型通常被称为“尺度解析”。2.2.1 大涡模拟（Large Eddy Simulation (LES)）最广为人知的SRS模型概念是大涡模拟。在达到网格限制之前，它在整个流体域内时间和空间上解析大的湍流结构。然而，尽管在学术界广泛使用，LES对工业模拟的影响非常有限。原因在于对壁面边界层的分辨率要求过高。在壁面附近中，即使是湍流中的最大尺度，在几何上也非常小，从而需要一个非常细密的网格和一个很小的时间步长。此外，不同于RANS，网格不仅要在壁面法线上加密，还必须求解与壁面平行的湍流，这只能在非常低的雷诺数和非常小的几何尺度下实现。（LES域的范围不能远大于平行于壁面边界层厚度的10-100倍）。基于此，LES推荐用于与壁面边界层不相关并且不需要解析的流动，或者用于低雷诺数下边界层是层流的流动。在这种情况下，最平衡的LES模型是WALE模型。它在模型复杂度和通用性之间提供了很好的折中。他还允许在没有任何模型影响的情况下计算层流剪切（边界）层。LES模型的一个拓展是Wall-Modeled LES (WMLES)。它允许 LES 在较高雷诺数下计算壁面有界流动，而无需大幅增加传统 LES 在高雷诺数下所需的网格分辨率。对于WMLES，就每个边界层体积所需的网格单元而言，网格分辨率在很大程度上与雷诺数无关。WMLES的增强模型 WMLES S-Ω 同样可用。 WMLES 不为具有恒定剪切的流动提供零涡粘度。因此，它不允许计算转捩效应，并且在分离剪切层时会产生过大的涡粘度。增强的 WMLES S-Ω 模型克服了这些缺陷。2.2.2混合雷诺平均-大涡模拟模型（Hybrid RANS-LES Models）为避免大涡模拟中很高的网格分辨率要求，近些年来发展了很多混合模型。这些模型结合了RANS和LES方法的某些要素，允许模拟高雷诺数流动。在混合模型中，壁面边界层通常被模型中的RANS部分覆盖，而较大的分离区域则采用LES模型处理，这意味着时间和空间上的部分湍流谱能被解析。混合模型依赖于足够强的湍流不稳定性以在分离区域产生湍流结构。其中一种典型情况是采用URANS模型预测钝体后面流动的单模周期涡脱落。混合模型允许这些涡产生更小的涡流，直到网格限制其产生。在非定常流动下应用标准RANS模型会导致单频涡脱落，应用混合模型则允许大的结构分解成较小的尺度。这有助于预测物体下游的正确混合或提取谱信息(例如，用于声学模拟)。同时，混合模型的RANS部分覆盖壁面边界层，从而避免了LES对网格分辨率的过高要求。2.2.2.1尺度自适应模拟（Scale-Adaptive Simulation (SAS)）SAS模型由Menter等人提出，其基于von Karman长度尺度Lvk在湍流方程（对于BSL和SST模型，其引入到ω-方程）中的引入，Lvk定义为速度矢量的一阶导数与二阶导数的比值乘以von Karman常数。这一项的加入使模型可以调整其长度尺度至流动中已经解析的尺度，从而提供足够低的涡粘度，使模型能够在‘LES‘模式下运行。SAS方法的优势在于，模型的RANS部分不受网格间距的影响，因此在网格细化但流动不稳定性不充分的区域，不会出现DES中所见的模型精度下降。但是，在流动不稳定性不足的情况下，SAS将仍保持在RANS模式下，并且不会产生非定常的结构。虽然这通常表明RANS模型仍然能够合理地处理流动，但会限制非定常信息的获得（例如，在声学中）。在这种情况下，ELES的内部接口选项可用于将模拟湍流转换为解析湍流。2.2.2.2分离涡模拟（Detached Eddy Simulation (DES)）DES模型通过比较湍流长度尺度与网格间距来实现RANS与LES之间的切换。该模型选择两者的最小值，通过替换k-方程中的ω项，从而在RANS模式和LES模式之间切换：一旦模型选择网格间距为最小项，则模型运行在‘LES’模式下。网格间距显式地出现在DES模型中。对于网格介于RANS和LES分辨率之间(在DES中称为灰色区域)的区域，以及流动不稳定性不足以产生LES结构的地方，RANS的解会受到影响。使用DES需要考虑的另一个问题是网格诱导分离(GIS)问题。如果附加在壁面边界层流动的网格细化到DES限制器激活并影响RANS解的时候，就会发生这种情况。然而，在这种情况下，流动不稳定性不够强，不足以通过解析的湍流来平衡减少的RANS量。这通常会导致在网格细化的位置产生人工流动分离。典型地，这种现象会发生在Δmax<δ(δ为边界层厚度)时。Menter等人对这种情况提出了补救措施，他们建议使用SST-DES模型的F1混合函数来保护边界层免受DES限制器的影响。后来，Spalart等人基于相同的目的提出了可选择的混合函数，从而产生了延迟DES (Delayed DES)。DDES模型最初为Spalart-Allmaras模型提出，然后对BSL、SST和k-ε等两方程模型提供了针对GIS问题的限制保护。因此，DDES功能已经为BSL、SST和k-ε模型重新校准，并且是使用这些模型时的推荐选择和默认设置。Strelets 等人的改进的 DDES (IDDES) 公式提供了进一步的改善，它将模型的 LES 区域扩展到壁面边界层的外部。这允许在壁面模型LES (WMLES) 模式下模拟壁面边界层。在这个模型中，IDDES模型的应用与LES模型类似，通常带有非稳定入口条件的说明。WMLES的网格分辨率要求远没有LES严格。Ansys Fluent中提供了以上所有屏蔽函数（shielding function）的类型。Spalart-Allmaras模型采用最初的的DDES屏蔽函数。对于k-ε、BSL和SST模型，DDES功能已重新校准以更好地保护边界层。重新校准的DDES功能是默认选择，建议在BSL/SST模型中使用F1或F2函数。尽管混合方法的应用存在潜在的困难，但它们有潜力在工程应用中极大地扩展尺度解析仿真模型的使用。2.2.2.3屏蔽分离涡模拟(SDES)和应力混合涡模拟(SBES) （Shielded Detached Eddy Simulation (SDES) and Stress-Blended Eddy Simulation (SBES)）屏蔽分离涡模拟(SDES)模型和应力混合涡模拟(SBES)模型是相对于DDES/IDDES屏蔽函数有所改进的混合RANS-LES模型。它们提供了强力的RANS边界层屏蔽，从而实现在分离剪切层时从RANS到LES的更快‘转变’，以及(对于SBES)显式地选择LES模型。有关实现细节，请参阅《理论指南》。2.2.3域模拟与嵌入式LES (ELES)（ Zonal Modeling and Embedded LES (ELES)）正如前几节所指出的，混合模型依靠流动不稳定性在大的分离区域产生湍流结构，而没有通过边界条件显式地引入不稳定性。然而，在有些情况下，这种不稳定性并不存在，或者并不可能可靠地达到这一目的。在这种情况下，最好在预定义的区域中应用RANS和LES模型，并在它们之间提供明确定义的界面。在这些界面处，上游RANS模型的湍流动能被显式地转换为LES域内部边界的解析尺度。LES区域可以被限制在关注非定常结果的区域。ELES可在Ansys Fluent中使用，并允许将大多数RANS模型与经典LES模型相结合。需要强调的是，在这种模式下，需要在LES域内获得完整的LES分辨率。在LES区域，推荐使用WALE模型。

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