一个简单的LES模拟流程

本文演示利用ANSYS Fluent中的LES求解管道中的流动问题。

与RANS相比，LES模拟需要更精细的网格及更小的时间步长，其计算成本远远高于RANS。

1 问题描述

本案例计算的几何模型较为简单，为一个长2.5 m，直径0.2 m的管道。

2 网格设计

在ICEM CFD中生成计算网格。

• 创建3D bounding block，并关联edge

• 进行O型切分

• 沿轴向指定网格节点数量320

• 指定edge上节点数量为55

• 指定edge上节点数量为55

• 壁面法向方向网格尺寸指定，如下图所示

• 定义几何周期条件

• 定义Block的周期性

• 转换网格并输出，网格数量500多万

3 Fluent设置

LES需要在瞬态下计算，为节省计算时间，可以先计算稳态RANS。

稳态RANS计算参数：

• Steady计算
• SST k-omega湍流模型
• 介质：air
• 利用命令/mesh/modify-zones/make-periodic创建周期边界

• 如下图所示指定周期压力梯度为100 pa/m

• 其他采用常规设置

RANS计算完毕后中切面速度分布如图所示。

• 计算完毕后在TUI窗框输入命令solve/initialize/init-turb-vel-fluctuations给速度添加脉动

• 如下图所示激活Large Eddy Simulation

• 估算时间步长

确保CFL数小于1。CFL数通过下式进行计算

控制CFL数约为0.5，由前面计算得到主流区速度U=22.4 m/s，网格尺寸Δx=1e-4m，可估算出时间步长为4.48e-5 s。

• 设置时间步长及时间步数开始计算

注：这个计算量以天为单位。

需要注意：

• 确保在每一步中，你的残差下降2个数量级。
• 可以在2-3个流动时间(FTT)内达到统计上的稳定状态，1个FTT被定义为一个颗粒穿越整个区域所花费的时间（本案例约为2.5/22.4=0.1117 s）。在达到统计稳定状态之前，不要收集任何不稳定的统计数据。
• 达到统计收敛后，可以切换采样时间间隔和非稳态数据采集。同时可以监测CFL数值，绘制湍流演化的q准则。

计算结果类似下面这张。