CN110276090B - 一种基于相干结构的湍流大涡模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于相干结构的湍流大涡模拟方法,包括以下步骤:建立格子玻尔兹曼方法模型,得出流体粘度ν的计算公式;在传统的Smagorinsky模型中,所述涡动粘度νt由过滤后的应变率张量Sαβ、过滤尺度△r和Smagorinsky常数CS决定;在格子玻尔兹曼方法‑大涡模拟方法模型中,使用均一的矩阵网格,使过滤尺度△r和格子单位相同;在多松弛时间格子玻尔兹曼模型中,计算出应变率张量Sαβ;引入亚格子流场中的伽利略不变量QLES,定义伽利略不变量QLES与所述应变率张量Sαβ、转动率张量Wαβ的关系方程,定义模型参数C得出所述模型参数C与相干结构函数的关系;通过亚格子动能kSGS得出涡流粘度,从而建立相干结构函数与亚格子动能的关系;在大涡模拟中求得涡动粘度。模型适用于可压缩与不可压缩流动。
Description
技术领域
本发明属于大涡模拟方法,具体涉及一种基于相干结构的湍流大涡模拟方法。
背景技术
大涡模拟方法中,最为常见的是Smagorinsky涡粘模型。其假定由可解尺度向不可解尺度脉动的能量传输等于湍动能耗散。这种方法不需要对模型参数求平均,即模型参数是局部确定的,且总是正值,使得数值计算十分稳定。此外,还有动力Smagorinsky模型,其以Smagorinsky涡粘模型作为基准,用Germano公式导出模型系数。模型参数可以根据流动类型动态调整,并且可以正确重现壁面涡粘度的渐进行为而无需确定壁面阻尼函数。在层流中,模型参数会自动变更成零,所以动力Smagorinsky模型也适用于模拟层流。
在过去的三十年中,格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)已发展成为一种成熟的CFD方法。LBM程序的实现比传统的CFD方法简单得多。由于LBM的松弛过程是局部的,且其通信模式是单向的,使得其易于并行,计算性能几乎随着计算核数线性增加。此外,LBM与光谱方法、人工压缩方法、有限体积方法和有限差分方法相比,所有计算效率和数值精度的定量分析进一步验证了LBM的优异性能。由于这些优点,LBM可与大涡模拟结合用于模拟湍流。LBM-LES的实现在于将流动的有效粘度分为分子粘度和涡粘度两个部分。而涡动粘度的加入使得原始LBM的松弛时间会适当增大,使得计算更加稳定,克服LBM在模拟高雷诺数流动时的不足。
动力Smagorinsky:由于模型参数由当地物理量确定,既可为正亦可为负,可导致数值计算发散;即使采用Lilly的最小误差法确保模型参数为正,但其需要在全流场内求平均;还需要计算测试网格下的应力张量分量,耗费更多计算时间。
现有LBM-LES:控制方程大多基于原始变量的纳维尔-斯托克斯(Navier-Stokes,NS)方程,而很多工程上用涡量输运等其他方程作为控制方程。松弛时间的计算复杂,难以获得精确值。由于LBM采用矩形网格,对曲线或曲面边界计算时难以得到精确的应变率张量。大多LBM-LES只能用于求解不可压缩粘性流动,无法精确模拟可压缩流动。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷,提供一种相干结构的湍流大涡模拟方法,。
为了解决上述问题,本发明按以下技术方案予以实现的:
一种基于相干结构的湍流大涡模拟方法,包括以下步骤:
建立格子玻尔兹曼方法模型,结合三维空间中的离散速度模型的定义,得出流体粘度ν的计算公式,所述流体粘度ν包括分子粘度ν0和涡动粘度νt;
在传统的Smagorinsky模型中,所述涡动粘度νt由过滤后的应变率张量Sαβ、过滤尺度△r和Smagorinsky常数CS决定;
在格子玻尔兹曼方法-大涡模拟方法模型中,使用均一的矩阵网格,使过滤尺度△r和格子单位相同;
在多松弛时间格子玻尔兹曼模型中,计算出应变率张量Sαβ;
引入亚格子流场中的伽利略不变量QLES,定义伽利略不变量QLES与所述应变率张量Sαβ、转动率张量Wαβ的关系方程,定义模型参数C得出所述模型参数C与相干结构函数的关系;
通过亚格子动能kSGS得出涡流粘度,从而建立相干结构函数与亚格子动能的关系;
在大涡模拟中求得涡动粘度。
作为优选,所述伽利略不变量QLES与所述应变率张量Sαβ、转动率张量Wαβ的关系方程为:
作为优选,所述模型参数C定义为:
C=CCKM|FCS|FΩ, (2)
其中FCS为相干结构函数,E为速度梯度张量,FΩ为能量衰减抑制函数,CCKM为自定义常数,设为0.1。
作为优选,所述模型参数C定义中:
CCKM=0.1 (5)
作为优选,所述格子波尔兹曼模型方程为,
其中M为将离散速度空间V=Rb中的矢量|f>映射到动量空间M=Rb中的矢量|m>的转换矩阵,有
|m>=M|f>,|f>=M-1|m>. (7)
结合三维空间中的19离散速度模型;且定义格子单位δr=δt=1;
此时模型的流体粘度为
LES中有ν=ν0+νt,其中ν0和νt分别为分子粘度和涡动粘度。
作为优选,所述传统的Smagorinsky模型中,涡动粘度νt与过滤后的应变率张量Sαβ、过滤尺度Δx和Smagorinsky常数CS的关系式为:
作为优选,在格子玻尔兹曼方法-大涡模拟方法模型中,
通过亚格子动能kSGS得出涡流粘度:
式(12)为物理量的过滤操作,可有以下差分方法得到:
在三维空间中,在二维空间中,/>
本发明的有益效果是:
模型参数一直为正,数值计算稳定;
相干结构函数仅包含应变率张量和转动率张量,无需过滤函数,计算简单,便于工程应用;
模型的构建是基于表征湍流的相干结构,取消相干结构,模型亦可适用于层流,使得模型具备普适性;模型适用于可压缩与不可压缩流动;
模型参数由一个固定的模型参数和一个相干结构函数组成,其中相干结构函数是由速度
梯度张量的大小归一化的第二不变量,具有壁面阻尼的作用,无需使用壁面函数;
曲线边界的应变率张量在模型中隐式求得,计算精度高;
可用于旋转均质湍流和槽道湍流;
编程简单,易于并行化,提高计算效率。
附图说明
图1为本发明基于相干结构的湍流大涡模拟方法的相对流向位置为0.28时归一化流向速度的展向分布示意图;
图2为本发明基于相干结构的湍流大涡模拟方法的相对流向位置为4.484时归一化流向速度的展向分布示意图/关系图;
图3为本发明基于相干结构的湍流大涡模拟方法的相对流向位置为7.088时归一化流向速度的展向分布示意图/关系图。
图4为本发明所述的方腔射流模拟的加载边界条件的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供一种基于相干结构的不可压缩黏性流体的大涡模拟方法,包括以下步骤:
建立格子玻尔兹曼方法模型,结合三维空间中的离散速度模型的定义,得出流体粘度ν的计算公式,所述流体粘度ν包括分子粘度ν0和涡动粘度νt;
在传统的Smagorinsky模型中,所述涡动粘度νt由过滤后的应变率张量Sαβ、过滤尺度△r和Smagorinsky常数CS决定;
在格子玻尔兹曼方法-大涡模拟方法模型中,使用均一的矩阵网格,使过滤尺度△r和格子单位相同;
在多松弛时间格子玻尔兹曼模型中,计算出应变率张量Sαβ;
引入亚格子流场中的伽利略不变量QLES,定义伽利略不变量QLES与所述应变率张量Sαβ、转动率张量Wαβ的关系方程,定义模型参数C得出所述模型参数C与相干结构函数的关系;
通过亚格子动能kSGS得出涡流粘度,从而建立相干结构函数与亚格子动能的关系;
在大涡模拟中求得涡动粘度。
作为优选,所述伽利略不变量QLES与所述应变率张量Sαβ、转动率张量Wαβ的关系方程为:
3、根据权利要求2所述的基于相干结构的不可压缩黏性流体的大涡模拟方法,其特征在于,所述模型参数C定义为:
C=CCKM|FCS|FΩ, (2)
其中FCS为相干结构函数,E为速度梯度张量,FΩ为能量衰减抑制函数,CCKM为自定义常数,设为0.1。
作为优选,所述模型参数C定义中:
CCKM=0.1 (5)
作为优选,所述格子波尔兹曼模型方程为,
其中M为将离散速度空间V=Rb中的矢量|f>映射到动量空间M=Rb中的矢量|m>的转换矩阵,有
|m>=M|f>,|f>=M-1|m>. (7)
结合三维空间中的19离散速度模型;且定义格子单位δr=δt=1;
此时模型的流体粘度为
LES中有ν=ν0+νt,其中ν0和νt分别为分子粘度和涡动粘度。
作为优选,所述传统的Smagorinsky模型中,涡动粘度νt与过滤后的应变率张量Sαβ、过滤尺度Δx和Smagorinsky常数CS的关系式为:
作为优选,在格子玻尔兹曼方法-大涡模拟方法模型中,
通过亚格子动能kSGS得出涡流粘度:
式(12)为物理量的过滤操作,可有以下差分方法得到:
在三维空间中,在二维空间中,/>
对以上步骤进行如下详细说明:
在多松弛时间格子玻尔兹曼方法(MRT-LBM)中,格子玻尔兹曼的演化方程为:
其中M为将离散速度空间V=Rb中的矢量|f>映射到动量空间M=Rb中的矢量|m>的转换矩阵,有
|m>=M|f>,|f>=M-1|m>.\*MERGEFORMAT(2)
对于三维空间中的19离散速度模型(D3Q19),
在方程(1)中,符号|·>表示空间Rb(b=(N+1)为离散速度数量,N为非零离散速度的数量)中的b维矢量,其值分别为
|f(ri+eαδt,t+δt)>≡(f0(ri,t+δt),…,fN(ri+eNδt,t+δt))T,
|f(ri,t)>≡(f0(ri,t),…,fN(ri,t))T,
以及
|m(ri,t)>≡(m0(ri,t),…,mN(ri,t))T,
其中T表示矩阵的转置,为动量ma的平衡量,在D3Q19模型中,动量|m>=(ρ,e,ε,jx,qx,jy,qy,jz,qz,3pxx,3πxx,pww,πww,pxy,pyz,pzx,mx,my,mz)T,其中:ρ为流体密度,e为与能量相关的量,ε为与能量的平方相关的量,j=(jx,jy,jz)为动量,q=(qx,qy,qz)为热通量,(pxx,pww,pxy,pyz,pzx)为应力,(πxx,πww)为四阶动量,(mx,my,mz)为三阶动量。在LBM中,当声速D3Q19模型中平衡量为
其中ρ0为系统的平均密度,通常固定为1。矩阵为动量空间M=Rb中的一个对角矩阵,其定义为
当格子单位δr=δt=1,此时模型的流体粘度为
LES中有ν=ν0+νt,其中ν0和νt分别为分子粘度和涡动粘度。
在传统的Smagorinsky模型中,涡动粘度由过滤后的应变率张量过滤尺度Δr和Smagorinsky常数CS共同决定:
在LBM-LES中,通常使用均一的矩阵网格,一般设Δr=δr=1。
在MRT-LBM中,应变率张量Sαβ可以直接从动量的非平衡量或中心差分方法求得,两者同样具有二阶精度。该过程如下:
或
为了将相干结构模型插入到MRT-LBM中,引入亚格子流场中的伽利略不变量QLES,其定义为:
其中为转动率张量,其值可以通过中心差分方法求得,
在MRT-LBM-CKM中,引入伽利略不变量的目的是用于确定Smagorinsky常数,此模型参数的定义如下:
C=CCKM|FCS|FΩ,\*MERGEFORMAT(10)
CCKM=0.1\*MERGEFORMAT(13)
其中FCS为相干结构函数,E为速度梯度张量,FΩ为能量衰减抑制函数,CCKM为自定义常数,通常设为0.1。由于Wαβ与材料框架无关,而是伽利略不变量,因此在旋转框架下必须进行转换:
上标*表示旋转框架下的物理量,ζαβγ为变换张量,为转动速度矢量。
为了准确反映相干结构与亚格子动能之间空间位置,我们利用亚格子动能kSGS计算涡动粘度:
式(17)为物理量的过滤操作,可有以下差分方法得到
在三维空间中,
联立(6)或(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(16)、(17)、(18),便可逐步求得当地流场的涡动粘度,实现湍流的大涡模拟。
具体实施例子:
方腔射流模拟
1、构建矩形网格:
Nx×Ny×Nz=500×100×100,δx=δy=δz=1,δt=1;
2、初始化流场:
入流速度U=0.1,V=W=0,ρ0=1;其中U为x方向速度,V、W分别为y、z方向的速度;
碰撞和迁移过程为:
3、加载边界条件,如图4所示。
h×h为方腔大小,入口平面其他位置采用无滑移(no-slip)边界条件,四个侧面采用周期(periodic)边界条件,出口处采用开放边界条件;
4、计算宏观物理量变化U、V、W;
5、计算模型参数C;
6、更新流场当地涡动粘度;
7、判断收敛,使用OriginPro后处理结果;
8、结果如图1至图3所示,由图可见。
具体地,图1至图3中,u(x,y,z)为点(x,y,z)处的流向速度大小,平均中心流向速度T0=De/U0,De为入口的相对圆周直径,y1/2为/>时的y值。x/De为相对流向位置。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,故凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种基于相干结构的湍流大涡模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:
建立格子玻尔兹曼方法模型,结合三维空间中的离散速度模型的定义,得出流体粘度ν的计算公式,所述流体粘度ν包括分子粘度ν0和涡动粘度νt;
在传统的Smagorinsky模型中,所述涡动粘度νt由过滤后的应变率张量Sαβ、过滤尺度△r和Smagorinsky常数CS决定;
在格子玻尔兹曼方法-大涡模拟方法模型中,使用均一的矩阵网格,使过滤尺度△r和格子单位相同;
在多松弛时间格子玻尔兹曼模型中,计算出应变率张量Sαβ;
引入亚格子流场中的伽利略不变量QLES,定义伽利略不变量QLES与所述应变率张量Sαβ、转动率张量Wαβ的关系方程,
其中,xα表示笛卡尔坐标系中的α方向,xβ表示笛卡尔坐标系中的β方向,求导表示α方向的速度在xβ方向上的加速度,/>求导表示β方向的速度在xα方向上的加速度;
定义模型参数C得出所述模型参数C与相干结构函数的关系;
所述模型参数C定义为:
C=CCKM|FCS|FΩ, (2)
CCKM=0.1 (5)
其中FCS为相干结构函数,E为速度梯度张量,FΩ为能量衰减抑制函数,CCKM为自定义常数,设为0.1,rα为α方向的位移;
通过亚格子动能kSGS得出涡流粘度,从而建立相干结构函数与亚格子动能的关系;
式(12)为物理量的过滤操作,可有以下差分方法得到:
其中,uα表示α方向的速度,rα表示α方向的位移,Δα表示α方向下的单位位移;
在三维空间中,在二维空间中,/>
在大涡模拟中求得涡动粘度。
2.根据权利要求1所述的基于相干结构的湍流大涡模拟方法,其特征在于,所述格子玻尔兹曼方法-大涡模拟方法模型为,
其中,r表示位移,t表示时间,e表示单位速度矢量,eq代表equilibrium平衡态,m(eq)表示平衡态函数,矩阵为动量空间M=Rb中的一个对角矩阵,se,sε,sq,sq,sν,sπ,sν,sπ,sν,sν,sν,sm,sm,sm为对角矩阵中的对角元素;
其中,M为将离散速度空间V=Rb中的矢量|f>映射到动量空间M=Rb中的矢量|m>的转换矩阵,有
|m>=M|f>,|f>=M-1|m>. (7)
结合三维空间中的离散速度模型;且定义格子单位δr=δt=1;
此时模型的流体粘度为
其中,Sv表示松弛时间,:=表示定义;
LES中有ν=ν0+νt,其中ν0和νt分别为分子粘度和涡动粘度。
3.根据权利要求1所述的基于相干结构的湍流大涡模拟方法,其特征在于,所述传统的Smagorinsky模型中,涡动粘度νt与过滤后的应变率张量Sαβ、过滤尺度Δr和Smagorinsky常数CS的关系式为:
其中,:=表示定义。
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