大涡模拟简单介绍
涡轮流场大涡模拟与拟序结构研究
涡轮流场大涡模拟与拟序结构研究你们有没有看过水流？当水从水龙头里流出来，有时候会乖乖地顺着水槽流下去，有时候却会调皮地溅得到处都是。
其实，这水流里面藏着好多好多的小秘密！今天，就一起来探索一下涡轮流场大涡模拟和拟序结构，这就像是走进了一个水的魔法世界一样，特别有趣！先来说说这个涡轮流场大涡模拟是啥。
想象一下，有一个大大的涡轮，就像家里洗衣机里面那个会转的东西一样。
当涡轮开始转起来的时候，周围的空气或者水也会跟着动起来。
这时候，空气或者水就会形成各种各样的漩涡，有的大，有的小，就像一群调皮的小精灵在跳舞。
而大涡模拟，就是科学家们用一种特别的方法，去研究这些大漩涡是怎么形成的，它们会往哪里跑，就好像给这些小精灵装上了定位器一样，能清楚地知道它们在干什么。
比如说，飞机的发动机里面就有涡轮。
当发动机启动的时候，涡轮飞快地转起来，空气就会被吸进去，然后通过涡轮的叶片，形成很多很多的漩涡。
科学家们通过大涡模拟，就能知道这些漩涡是怎么让飞机飞得更高、更快的。
这是不是很神奇？接下来，再讲讲这个拟序结构。
拟序结构，就像是一群有着严格纪律的小士兵。
它们在流场里面排着整齐的队伍，按照一定的规律在运动。
想象一下，你在操场上看到同学们做广播体操，大家都整齐划一地做着动作，这就有点像拟序结构。
在河流里面也有拟序结构。
当河水流动的时候，有时候你会看到水面上会出现一些有规律的波纹，就像有人用尺子画出来的一样。
这些波纹就是拟序结构的一种表现。
它们让河水能够更平稳地流动，就像小士兵们保护着河流，让它能够顺利地流淌。
涡轮流场大涡模拟和拟序结构是不是很有趣？它们就像隐藏在我们身边的魔法一样，虽然我们平时看不到它们，但是它们却在默默地发挥着作用。
等你们长大了，说不定也能像科学家一样，去探索更多关于它们的秘密！。
大气湍流模拟与方法研究
大气湍流模拟与方法研究大气湍流是指在自然界中，由于空气分子的热运动和流体不均匀性造成的气流乱流现象。
它对于气象学、环境科学等领域具有重要意义。
为了更好地理解和预测大气湍流，科研人员们进行了大量的模拟与方法研究。
本文将介绍大气湍流模拟的方法和相关研究进展。
一、大气湍流模拟方法1. 直接数值模拟（DNS）直接数值模拟是指通过求解流体动力学方程，对湍流进行精确的数值模拟。
这种方法能够提供精确的湍流数据，但由于计算量巨大，目前只适用于小尺度的湍流问题。
2. 大涡模拟（LES）大涡模拟是指模拟并求解大尺度涡旋，而忽略小尺度湍流的准确表示。
它通过将湍流分解成大涡和小涡来减少计算量，更适用于中等和大尺度的湍流研究。
3. 湍流统计模拟（TST）湍流统计模拟是一种基于概率和统计的模拟方法，通过对湍流的统计特性进行建模，推导出湍流的各种物理参量。
虽然它无法提供湍流的详细结构信息，但能够在计算成本较低的情况下估计湍流的平均性质。
二、大气湍流模拟方法的应用1. 大气环流模拟大气环流是指大尺度的大气运动模式，是全球气候变化和天气预报的重要基础。
通过模拟大气环流中的湍流现象，可以更准确地预测天气变化和气候变化趋势。
2. 污染物扩散模拟污染物扩散是大气科学中的重要研究内容。
将湍流模拟方法应用于污染物扩散模拟中，可以帮助科研人员分析城市污染物的来源、传输路径和浓度分布，为环境保护和污染治理提供科学依据。
3. 风能资源评估利用风能发电是一种清洁、可再生的能源利用方式。
通过模拟大气湍流，可以评估风能资源的分布和利用潜力，为风电场选址和设计提供技术支持。
三、大气湍流模拟方法的挑战与展望1. 精度提升当前的大气湍流模拟方法仍然存在精度不高的问题，特别是对于小尺度湍流的模拟。
因此，需要进一步改进模拟算法和数值计算技术，提高模拟结果的准确性。
2. 计算成本降低目前的大气湍流模拟方法需要耗费大量的计算资源和时间。
在提高精度的前提下，需要寻求更高效的计算方法，降低计算成本。
大涡模拟代数方程
大涡模拟代数方程大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）中的一种模拟方法，用于模拟流场中的湍流现象，特别是高雷诺数的湍流现象。
它采用过滤技术将原方程中的小尺度湍流部分去除，并仅保留大尺度湍流部分的方程进行求解。
这种方法使得计算量大大减少，同时提高了可信度。
LES的代数方程包括连续性方程、Navier-Stokes方程以及一个子网格模型方程。
其中连续性方程描述了质量守恒，Navier-Stokes方程描述了动量守恒。
子网格模型方程则是为了模拟湍流的小尺度涡旋的影响而设置的，用于模拟被过滤去的小尺度湍流的影响。
下面逐一介绍这三个方程：连续性方程：连续性方程描述了质量守恒。
它可以表示为：∂ρ/∂t + ∇·(ρu) = 0其中ρ是流体密度，t是时间，u是速度矢量。
该方程表示了瞬时的质量守恒，即时间dt内的质量增量等于该时间内出入物质的质量量，流体体积不变。
Navier-Stokes方程：Navier-Stokes方程描述了动量守恒。
它可以表示为：ρ(∂u/∂t + u·∇u) = -∇p + ∇·(μ∇u) + f其中p是压力，μ是流体的黏度，f是外部作用力。
这个方程描述了流体的加速度和流体内部的粘性摩擦力之间的关系。
它是描述流体力学问题的重要方程，但是也存在一定的限制，例如当雷诺数高时，湍流的尺度会变得非常小，这些细节无法被 Navier-Stokes方程所描述。
子网格模型方程：子网格模型方程是为了模拟湍流的小尺度涡旋的影响而设置的。
它通常采用基于平均域矢量（Mean Field-Based）或基于过滤后湍流量的方法（Subgrid-Scale-Based）来计算。
其中一种常用的子网格模型是Smagorinsky模型，它假定小尺度湍流的作用类似于分子扩散过程（即分子间的相互作用），并且使用网格尺度来表示小尺度湍流的作用：τ_ij = -2μt(S_ij-1/3δ_ijS^kk)其中τ_ij是湍流应力张量，S_ij是缩放后的速度梯度。
基于大涡模拟的流动控制技术研究
基于大涡模拟的流动控制技术研究流动控制技术是指通过调节流体的运动状态，以达到某种特定目的的技术手段。
大涡模拟是流体力学计算方法中的一种高级技术手段，是利用计算机模拟流体中涡动结构的运动和变化情况。
基于大涡模拟的流动控制技术，可以在流体中实现复杂的控制，对于提高流体能量利用率、减小流体噪音、增强流体传热等方面有着广泛的应用前景。
一、大涡模拟的原理与特点大涡模拟是一种基于直接数值模拟理论的流体力学计算方法，与传统的计算流体力学方法相比，其能够更加准确地描述复杂的流动现象。
大涡模拟的原理是通过将流场分解为不同尺度的涡旋结构，较大的涡旋被直接计算，而较小的涡旋则采用统计方法，从而减少计算量，提高计算效率。
与此同时，大涡模拟还具有不同于传统计算流体力学方法的特点，如能够更好地模拟尺度相对较小的涡旋，同时对于流体中湍流纹理的模拟精度也更高。
二、基于大涡模拟的流动控制技术及其应用基于大涡模拟的流动控制技术包括了一系列的控制手段和方法，如基于吸附效应的微流控技术、喷气流控制技术、表面微结构控制技术、基于旋流的控制技术等。
这些技术手段可以在流体流动过程中对流体的运动状态进行调控，从而实现对流体运动状态、能量利用率、传热性能等方面的控制，并对流体的噪音、沉积物等不利因素进行控制。
基于大涡模拟的流动控制技术在空气动力学、海洋工程、液态火箭燃烧等各个领域具有广泛的应用。
以飞行器为例，利用大涡模拟的流动控制技术，可以减少飞行器的阻力、改善飞行稳定性、降低机翼和机身的噪音等。
在海洋工程领域，大涡模拟的流动控制技术可以用于油污清洁、流体波浪调控等方面；而在液体火箭燃烧领域，则可以用于提高火箭燃烧效率、减少燃料损失等方面。
三、大涡模拟的应用前景随着计算能力的不断提高，大涡模拟的应用前景也越来越广阔。
基于大涡模拟的流动控制技术可以应用于各种动力学过程的模拟和优化，对于推动新材料、新能源等技术发展具有重要作用。
近年来，国内外研究者通过数值模拟和试验研究，发现了很多关于大涡结构对流动控制的重要特性，从而提高了流动控制的技术性能和控制效果。
湍流大涡模拟及应用
注意:脉动涡量对ii的质点导数没有贡献，当分子粘性很小时，主要由脉动的
变形率张量对标量梯度的质点导数有贡献，该项贡献可写在变形率主轴方向
Energy spectra
雷诺分解 ui Ui ui
能谱
湍流动能
E
1 2
uiui
E t
Pk
Tk
2、湍流特性
2009年9月9日( 8 )
谱分析 EEkdk
E k P k T k 2 k2E k
t
可编辑ppt
8
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（2）
经典湍流能量传递理论 —— 湍动能逐级传递
— Kolmogorov (1941)
injection
transfer
2009年9月9日( 9 )
湍流特性
可编辑ppt
dissipation
9
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（2） 湍流的特征尺度
含能区
惯性子区
耗散区
l0
lEI
lD I
E3/2 u3
l0
3 1/4
l0
ul0
3/4
Re3/4
2009年9月9日( 10 )
可编辑ppt
10
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（3）—标量湍流
背景—标量湍流与污染扩散
( 11 )
可编辑ppt
11
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（3）—标量湍流
背景 —— 标量湍流与城市大气
热岛效应
( 12 )
可编辑ppt
fluent 二维大涡模拟命令
fluent 二维大涡模拟命令Fluent（通常称为ANSYS Fluent）是一种基于计算流体动力学（CFD）的软件，它使用数值方法解决流体力学和热力学方程。
Fluent支持多个求解器，包括稳态、非稳态、可压缩和不可压缩流体求解器。
其中，二维大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）是一种用于模拟湍流流动的CFD方法，通过分解流体的速度场为大尺度和小尺度来模拟湍流流动。
本文将介绍Fluent中二维大涡模拟的相关命令。
1. 设定模拟参数在开始二维大涡模拟前，需要设定一些模拟参数，包括流体属性和边界条件。
在Fluent中，通过以下命令可以设定流体属性和边界条件：（1）设定流体属性DEFINE > MODELS > VISCOSITY2. 定义二维网格在进行CFD模拟前，需要先定义计算网格，以便数值求解器能够在其上执行算法。
在Fluent中，通过以下命令定义二维网格：（1）导入二维网格FILE > IMPORT > MESH3. 指定求解器有关Fluent的求解器已经在第一段中提到。
在进行二维大涡模拟时，可以选择可压缩或不可压缩流体求解器作为替代。
（2）可压缩流体求解器SOLVE > COMPRESSIBLE FLOW/HEAT TRANSFER > STEADY模拟模型是模拟过程中使用的具体模型。
在Fluent中，用户可以选择不同的模拟模型。
（1）可分离流边界层（Detached Eddy Simulation，DES）MODEL > VISCOSITY > DES（2）壁面函数（Wall Function）MODEL > VISCOSITY > WALL FUNCTION在进行CFD模拟时，需要设定一些计算参数以控制模拟进程，以及获得所需的结果。
在Fluent中，用户可以使用以下命令设定计算参数：6. 运行模拟在完成所有设定后，可以通过以下命令在Fluent中运行二维大涡模拟：SOLVE > EXECUTE COMMAND FILE > RUN此时，Fluent将自动执行过程，直至收敛或达到设定的计算时间。
剖析单相流大涡模拟方程
剖析单相流大涡模拟方程1 概述单相流大涡模拟方程（Large Eddy Simulation，LES）是一种用于模拟流动中小尺度涡旋的一种数值模拟方法。
这种方法相对于直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）和雷诺平均方程模拟（Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations，RANS）等方法，可以更精确地模拟流场中的大尺度涡旋，适用于较高雷诺数的流动。
2 基本方程单相流大涡模拟方程的数学基础是Navier-Stokes方程，也就是流体动力学基本方程。
Navier-Stokes方程可以描述流体在连续性、动量、能量守恒下的运动状态，具体表达式如下：$$ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \boldsymbol{u}) = 0 $$$$ \frac{\partial (\rho \boldsymbol{u})}{\partial t} +\nabla \cdot (\rho \boldsymbol{u} \boldsymbol{u}) = - \nabla p + \mu \nabla^{2} \boldsymbol{u} + \boldsymbol{f} $$ $$ \frac{\partial (\rho E)}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho E \boldsymbol{u} + p \boldsymbol{u}) = \nabla \cdot (k \nabla T) + q $$其中，$\rho$为流体密度，$\boldsymbol{u}$为流体速度，$p$为流体压力，$\mu$为动力粘性系数，$E$为单位质量流体的总能量，$k$为热导率，$T$为流体温度，$\boldsymbol{f}$为外力项，$q$为体力项。
LES大涡模拟-【转载】第一部分Eddies（涡）的解析
LES⼤涡模拟-【转载】第⼀部分Eddies（涡）的解析原⽂地址：第⼀部分 Eddies(涡)的解析湍流流动中包含了许多的涡，他们所包含的能量、他们的⼤⼩都各异。
image在LES中，我们需要在计算⽹格中解析这些涡中的⼀部分。
如何做到这件事？⾸先我们需要考虑的是怎么在⼀个CFD⽹格中解析⼀个涡。
事实上，解析⼀个涡，我们⾄少需要⼀个的⽹格，也就是说，尺⼨⼩于两个⽹格的涡就不能被解析出来，只能套⽤模型来表⽰它，这个模型也就叫做亚格⼦模型，这部分的内容之后再说。
image所以现在我们知道，⽹格的尺⼨确定了能够解析的最⼩的涡的⼤⼩，那么如何确定⼀个合理的⽹格尺⼨来保证流场的准确性呢？在算⼀个LES算例之前我们要怎么确定LES的⽹格尺⼨？波数k波数(k)是涡(Eddy)的空间频率image根据定义我们知道，越⼩的涡波数越⼤。
这时候我们就需要知道⼀个东西，叫做湍流能谱。
它的实验测量结果如下：image这张图说明，随着涡的波数的增⼤(/尺⼨的减⼩),其湍动能密度逐渐减⼩。
对这张图沿着曲线积分，最后可以得到湍流动能。
在LES的⽹格设置中，并不需要解析所有的涡，因为涡越⼩，需要的⽹格越⼩，⽹格量就会越多，最后导致计算开销过⼤。
怎么选择⼀个合适的⽹格尺⼨，在保证我们认为的精度⾜够的条件下，还能尽量的减少⽹格量。
⼀般认为⼀个好的LES算例，其⽹格的尺⼨⾄少要⼩到能够解析80%的湍动能，⽽剩下部分的湍动能则是通过亚格⼦模型给出。
image但是怎么选择尺⼨来使得达到这个80%湍动能解析的条件呢？为了解释这个事，⾸先要了解⼀下积分长度尺⼨(Integral Length Scale)。
积分长度尺度对于⼀个计算域⽽⾔，涡的尺度和能量在整个计算域内都有所不同：image⽐如对于上⾯这⼀个后台阶流动来说，⼊⼝处的流动较为均匀，其湍动能低，⽽台阶后的回流严重，具有⽐较⾼的湍动能。
这时候我们需要⽤积分长度尺度来代表⼀个位置的所有涡，因为看⼀个值总⽐看每个位置的湍流能谱要简单：image积分长度尺度的定义就是在所有涡的平均湍动能⽤⼀个涡的长度来表⽰，即：image根据定义，湍动能⼤的地⽅⼤，湍动能⼩的地⽅⼩。
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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。