Smagorinsky模型 -- 故障排除指南
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Smagorinsky模型 -- 故障排除指南
Smagorinsky模型特有的问题和对策
在使用Smagorinsky模型进行LES时会遇到什么问题?
Smagorinsky模型特有的问题包括以下几点。
1. 湍流强度的低估
速度涨落的RMS值比实验和DNS结果小得多。
$C_s$ 可能太大。如果使用 $C_s = 0.2$ 这样的值,请尝试降低到 $C_s = 0.1$。此外,网格粗糙也会产生类似症状。监测SGS粘性与分子粘性的比率 $\nu_{sgs}/\nu$,如果该值超过 $O(100)$,则网格可能太粗。
2. 壁面附近呈现层流特性
壁面附近的速度分布接近层流的抛物线分布。
Van Driest衰减可能没有正确工作。检查点如下所示。
- 壁面距离 $y$ 是否正确计算
- $y^+$ 值是否在合适的范围内
- 衰减函数常数 $A^+ = 25$ 是否已应用
在Fluent和STAR-CCM+中会自动应用,但在OpenFOAM中需要注意delta坐标的设置。
3. 转换捕捉不准确
从层流到湍流的转换比实验延迟很大。
这是Smagorinsky模型的内在局限。即使在层流区域,只要 $|\bar{S}| \neq 0$,就会产生 $\nu_{sgs} > 0$,导致湍流波动被人工抑制。对策如下所示。
- 切换到动态Smagorinsky模型:在层流区域自动实现$C_s \to 0$
- 切换到WALE模型:壁面附近表现出正确的$\nu_{sgs} \propto y^3$渐近行为
- 减小 $C_s$:作为临时对策,设置 $C_s = 0.065$ 左右
4. $C_s$ 的设置指南
最后,$C_s$ 应该如何确定?有通用值吗?
不存在通用值。正因为如此才开发了动态模型。作为实际工程指南,请参考以下内容。
| 流动类型 | 推荐 $C_s$ |
|---|---|
| 各向同性湍流 | 0.17 |
| 通道流、管内流 | 0.10 |
| 混合层、射流 | 0.10 - 0.13 |
| 圆柱尾流 | 0.10 |
| 初始测试 | 0.10(从这里开始) |
首先用$C_s = 0.1$进行尝试,然后根据结果进行调整是最现实的方法。
就是这样。如果 $C_s$ 的敏感性很大,应该认真考虑切换到动态模型。
Coffee Break 闲话
Smagorinsky模型在壁面附近"过热"的问题
将Smagorinsky模型应用于壁面附近时,壁附近的涡粘性不会消失,导致过度散逸。从物理上讲,壁附近的湍流应该被抑制,但该模型继续施加额外的能量散逸。这导致壁面剪切应力和热传递系数的高估。解决方案是添加van Driest衰减函数,但这本身就是另一个经验性的补丁。"向模型贴补丁使其越来越重"这一结构是Smagorinsky模型的宿命问题。
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