大涡模拟简单介绍

大涡模拟简单介绍

大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）是一种流体动力学数值模拟方法，用于模拟湍流流动。相比于传统的雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）模拟方法，LES可以更准确地捕捉流动中的湍流结构和湍流涡旋，并且消除了能量储存和耗散的子网格模型假设。

LES的基本原理是在Navier-Stokes方程的基础上，通过滤波器将流动变量划分为长时间和空间尺度下的平均分量和湍流分量。经过充分滤波的方程组被认为是LES方程组，其中长时间和空间尺度下的平均分量由RANS求解，湍流分量则采用直接数值模拟（DNS）或者更为常见的子网格模型进行近似。LES方程组通常采用基于物理的平滑学习系数（Smagorinsky模型）或者基于数值的子网格尺度计算方法来估计湍流涡旋的剪切应力。

与传统的RANS模拟相比，LES能够提供更多细节的湍流结构信息，从而更好地预测湍流流动中的流场特性，比如涡旋结构、湍流能量传递、湍流耗散等。这些信息对于工程问题的分析和设计有着重要的意义，比如风力发电机翼型的气动性能、船舶外形的水动力性能等。

LES的优势主要体现在以下几个方面：

1.湍流结构预测能力：LES可以更准确地模拟湍流结构，包括涡旋的生成、演化和消散过程，因此能够提供更详尽的湍流流场信息。

2.湍流能量传递和耗散特性：LES能够有效地预测湍流能量的传递和耗散特性，对于评估流动中的湍流耗散和能量损失有着重要的意义。

3.均匀流动和非均匀流动的统一模拟：与传统的RANS方法相比，LES

对均匀流动和非均匀流动有着较好的统一模拟能力。对于非均匀流动，

LES能够更好地预测局部湍流结构的分布和演化。

4.对涡旋缩放和旋转的准确模拟：LES能够模拟涡旋的缩放和旋转过程，能够提供更真实的细节湍流结构信息。

尽管LES在提供细节湍流结构信息方面具有优势，但其计算成本较高，主要体现在网格分辨率和时间步长上。由于需要考虑到湍流结构的空间和

时间变化，LES所需的网格分辨率通常较高，这对计算资源的要求较高。

另外，由于模拟湍流结构的时间尺度较小，时间步长也需要较短，导致计

算耗时增加。

目前，LES已经广泛应用于气动、水动力学、燃烧和环境等领域的研

究和工程应用中。例如，飞行器气动力学研究中常使用LES来模拟气动性

能和气动噪声；水动力学研究中常使用LES来模拟水下结构物周围的湍流

流动；燃烧研究中常使用LES来模拟燃烧过程中的湍流传输和热传导等。

随着计算资源的提升和计算方法的改进，LES在更多领域的应用将会得到

进一步的推广和发展。