SRS模型｜07 直观检查与数据平均

本文描述SRS模拟结果的直观检查与平均处理过程。

7.1 直观检查

在任何SRS模拟中，第一步也是最重要的一步是检查湍流结构。这通常使用Q标准的等值面来完成。Q的定义为：

其中，在不同的定义中常数可能有所不同（出于历史原因，在Fluent中，在CFD-Post中）。常数的值通常不重要，因为当使用该物理量时，我们仅对视觉印象感兴趣。在这个定义中，为应变率的绝对值，为涡度的绝对值。

此定义背后的基本原理为，我们想要可视化湍流涡的基本特征涡度，但要减去平均剪切速率，以避免显示稳态剪切层（其中）。

Q有不同的定义，其中有一些是无量纲的。应避免使用无量纲Q值，因为它们主要用于自由涡及其动力学的可视化（例如飞机机翼的翼尖涡）。在湍流流动中，它们可以将非常弱的湍流结构提升到与强湍流结构相同的水平，从而产生错误的图像。

在Fluent中，变量Q称为“Q Criterion”（在“Turbulence”下），在CFD-Post中，其位于变量列表中的“Velocity.Invariant Q”的下面。这两个软件中也都有一个无量纲版本的Q（Fluent中为Normalized q criterion，CFD Post中为Location/Vertex Core Region，方法Q-Criterion），它们不是对湍流涡旋场的描述。

有量纲的Q值可能非常大，而且在计算域中变化范围也很大。通常在高Re数流中可以找到高达的值，在这种情况下，取Q值的等值面范围通常是较为合理的。在获得合适的图像之前，必须对等值面的某些值进行试验。首先在固定值曲面上绘制Q作为等高线图，并从等高线图中选择正确的比例可能会有所帮助。对等值面使用正值。不要使用Q=0进行可视化，因为它通常显示与湍流可视化无关的非常弱的结构。

建议使用其他变量为Q的等值面上色。有趣的物理量是涡流粘度比（），或RANS中较小或为零的速度分量（例如展向方向的速度），或CFL数等。在模拟的整个启动和运行期间（如每1000个时间步后）应连续进行目测检查。其用途包括：

• 检查所有位置和预期位置是否出现不稳定湍流
• 检查流动的大规模对称性/不对称性
• 检查数值摆动的解（奇偶解耦）
• 检查已解析涡流的大学，看看它们是否与人们从网格分辨率中所期望的一样
• 检查这些涡流上的 CFL 数，它应该小于 CFL≈1；检查涡粘性比，它应该比RANS小得多
• 如果湍流结构在分离剪切层的早期发展或观察到明显的延迟，请检查全局 SRS 湍流模型 (SAS/DDES/SDES/SBES)
• 检查 ELES/不稳定入口条件，合成湍流是否合理且没有衰减
• 检查模拟向统计收敛解的进度。这意味着解析的湍流需要一些时间才能发展并通过区域传输。时间平均必须等到达到这一阶段后才能实现
• 在测试用例的任何报告（幻灯片、报告、出版物、服务请求）中包括湍流结构的图片
• 如果可能，制作动画。这有助于理解流动物理过程，也有助于其他人理解流动
• 在有趣的位置添加监测点并及时绘制它们的发展图以证明统计收敛

7.2 结果平均

具有尺度分辨率的非定常模拟需要特别注意后处理和平均。工程师通常只对时间平均结果感兴趣，而对非定常流场的细节不感兴趣。因此在计算此类数量时遵循系统方法非常重要。

典型的处理过程是从RANS解（或合理的初始条件）开始。当切换到任何SRS模型时，由于以下原因流动需要一段时间以统计方式进入新状态：

• 解析湍流需要一些时间来发展和通过区域传输
• 全局流动拓扑可能与初始（RANS）解不同
• 其他物理影响可能需要更长的启动时间(例如多相流)

因此，一般策略是在激活平均过程(或启动例如声学信息的获取)之前，针对一些启动时间运行仿真。这一过程应该在什么时候开始，需要多长时间才能达到统计上的稳定？在这个阶段，增加不会改变平均解。不幸的是，严重依赖于流场，无法给出一般性的指导原则。

对于某些类型的流动，其流场发展很快(在几千个时间步长内)；对于其他类型的流动，达到这一点需要成千上万步。然而，第一个估计可以通过估计“流动通过时间”来获得。这是平均流动通过区域所需的时间，其中为计算区域沿流动方向的尺寸，为平均流速。湍流统计通常需要若干次(3-5)流动通过时间才能确定。同样这只是一个粗略的估计，取决于特定的流动。

为了更系统地确定，必须对模拟过程进行监测。建议监测一些局部和全局量。

• 借助常规图像和更新的动画，持续直观地检查计算结果
• 检查关键区域中监控点处的解变量（压力、速度、温度等）与时间的相关关系。在收集平均统计数据之前，局部振荡的幅度和频率应该变得有规律
• 监控全局物理量（力、质量流量、涡量积分等）。感兴趣的物理量量通常是那些对于 RANS（展向力等）为零的量，因为其对 SRS 特性非常敏感，它们还有助于评估计算结果的整体对称性（它们应该在零附近波动）并确定慢速瞬变（在零附近波动但具有低重叠频率的量）。

只有当所有监视器都显示流动不再在统计上变化时(这意味着只有湍流结构的细节是时间的函数)，才可以激活平均。重要的是要记录在开始求平均值时已发生的步数以及已求平均值的步数。关于平均数量：

• 监控时间平均量，并确保它们不会“漂移”。它们最初会漂移，但随后应该会稳定到一个渐近值。
• 确保它们满足流动对称条件。任何不对称都是不收敛的（例外情况是，尽管设置对称，但仍有一些流动会产生物理不对称。例如：一些对称扩散器从一侧分离并保持连接在另一侧）
• 在区域/嵌入式LES模拟中，检查平均量在 RANS-LES 界面上是否合理平滑（它们永远不会完全平滑，但也不应该发生剧烈变化）

注：本文译自《Best Practice: Scale-Resolving Simulations in ANSYS CFD》
原文作者：F.R. Menter

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