SRS模型｜01 概述

本文介绍尺度解析仿真(Scale-Resolving Simulation，SRS)模型的由来。

虽然当前CFD湍流模拟主要基于雷诺应力平均NS模型（Reynolds-Averaged Navier-Stokes Models，RANS），但显而易见的是，一些特殊的流动现象能够更好地被一些特殊的模型处理，在这些模型中，湍流谱的全部或部分至少在数值域的一部分中被解析，这类模型被称为尺度解析仿真(Scale-Resolving Simulation，SRS)模型。

使用SRS模型代替RANS主要有两个原因。第一个原因是需要获取RANS模拟中无法获得的额外信息。如声学模拟中湍流产生的噪声源，而噪声源无法从RANS模拟中准确地提取，此时需要采用SRS模型进行计算。其他需要使用SRS模型的例子包括在不同温度下的非定常流混合区中的非定常热负荷，这可能导致材料失效或多重物理效应，如涡流空化，在其中非定常湍流压力场是产生空化的原因。在这些问题中，即使在RANS模型原则上能够计算正确的时间平均流场的情况下，也可能需要使用SRS。

使用SRS模型的第二个原因与计算精度有关。众所周知，RANS模型在有界壁面流动计算中具有优势，其中根据壁面分布律进行校准为进一步的模型改进提供了良好的基础。然而在某些流动情况下RANS模型的计算精度表现较差，如在自由剪切流动中，RANS模型的计算精度非常差。自由剪切流动的种类繁多，从简单的自相似流动(如射流、混合层及尾迹流)到撞击流、强旋转流、大分离流等，不一而足。RANS 模型通常在覆盖具有一组常数的最基本的自相似自由剪切流方面存在局限性，即便是最先进的雷诺应力模型(Reynolds Stress Models，RSM)最终也不太可能为所有这类流动提供可靠的基础。（有关 RANS 模拟的概述，可参阅Durbin, Pettersson 及 Reif, 2003；Wilcox, 2006；或 Hanjalic 及 Launder, 2011）

对于自由剪切流动，解析最大的湍流尺度通常要容易得多，因为它们的数量级与剪切层厚度相当。相比之下，在壁面边界层中，壁面附近的湍流长度尺度相对于边界层厚度要小得多（Re 数越大，湍流长度尺度越小）。这严重限制了大涡模拟 (Large Eddy Simulation，LES)的应用，因为所需的计算开销与工业可用的计算能力相去甚远（Spalart，1997）。为了解决此问题，出现了一些RANS/LES混合模型，在这些混合模型中，仅在远离壁面的地方解析大涡，而在壁面边界层内部采用 RANS进行模拟。此类混合模型的典型示例包括分离涡模拟 （Detached Eddy Simulation，DES）（Spalart，2000 ）及尺度自适应模拟(Scale Adaptive Simulation，SAS) （Menter, Egorov ,2011 ）。最近发展较好的是 ANSYS 湍流团队提出的屏蔽分离涡模拟 (Shielded Detached Eddy Simulation，SDES)及应力混合涡模拟 (Stress-Blended Eddy Simulation，SBES)。

进一步发展的是仅在壁面边界层的最内层应用RANS模型，然后切换到边界层主要部分的LES模型。此类模型被称为Wall-Modeled LES（WMLES）（Shur et al.，2008）。对于大型计算区域，通常只需要用 SRS 模型覆盖一小部分，而大部分流动可以在 RANS 模式下计算。在这种情况下，zonal或embedded LES 方法很有吸引力，因为它们允许用户提前指定需要使用LES 的区域。这种方法通常不是严格意义上的新模型，而是允许在流场的不同部分以灵活的方式组合现有的模型/技术。zonal模型的重要元素是界面条件，其在预定位置将湍流从RANS模式转换为解析模式，在大多数情况下，这是通过基于 RANS 模型的长度和时间尺度引入合成湍流来实现的。

SRS 模型在将其正确应用于工业流动方面非常具有挑战性。这些模型通常需要特别注意各种细节，包括：

• 模型选择
• 网格生成
• 数值设定
• 求解解释
• 后处理
• 质量保证

不幸的是，目前还没有一个能够涵盖所有工业流动场景的模型。通常，CFD 代码的用户必须了解这些SRS模型的复杂性，以便能够选择最佳模型并有效地使用这些模型。