4.17.1 概述

大涡模拟（LES）对工业CFD模拟的影响非常有限，主要原因是其高昂的计算成本。只有极少数技术应用场景中，LES能够在整个计算域内适用。这类流动通常具有非常低的雷诺数，或者壁面边界层不重要的流动（自由剪切流动）。特别是对于中等雷诺数下的壁面约束流动，LES对高分辨率的要求极大地限制了其应用。为了在工业流动模拟中解析大型湍流结构，开发了诸如尺度自适应模拟（SAS）（参见尺度自适应模拟（SAS）模型（第106页））、分离涡模拟（DES）（参见分离涡模拟（DES）（第109页））、屏蔽分离涡模拟（SDES）（屏蔽分离涡模拟（SDES）（第114页））和应力混合涡模拟（SBES）（应力混合涡模拟（SBES）（第117页））等混合模型。对于这些模型，壁面边界层通常由模型的RANS部分覆盖，而湍流仅在大分离（脱离）区域中得到解析。模拟中的非定常性源自全局流动不稳定性，如在钝体后方观察到的那样。然而，这种方法并非总是适用，因为并非所有流动都表现出足够强的不稳定性以自行生成湍流结构。在这种情况下，分区模型是可取的，其中可以明确区分RANS和LES区域，并且通过适当的接口方法将湍流从RANS转换为LES。一种这样的方法是ELES，在网格生成阶段生成RANS和LES区域，为每个区域选择合适的模型，并在接口处定义适当的处理方式。因此，ELES并非一种新的湍流模型，而是通过适当的接口条件结合RANS和LES模型的组合。

4.17.2 选择模型

原则上，可以组合的模型数量众多。通常，Ansys Fluent中的所有RANS模型都可以在RANS区域中选择。与ELES不兼容的RANS模型是Spalart-Allmaras模型，因为单方程模型无法提供接口方法所需的湍流长度尺度。关于LES模型，所有代数LES模型均可用（不包括动态动能亚格子尺度模型——请参阅动态动能亚格子尺度模型（第126页））。而对于RANS部分，由于不同应用中RANS模型的强度各异，难以给出一般性推荐；在LES区域，WALE模型通常被认为是一个合适的选择。

4.17.3 接口处理

图4.13：使用ELES的反向台阶流（第133页）展示了一个典型的ELES场景。模拟的几何结构被划分为RANS区和LES区，它们之间设有接口。

上游和下游区域由RANS覆盖，中间带有回流的区域则由LES覆盖。

图4.13：使用ELES的反向台阶流

当流体在RANS域与LES域之间以及从LES域进入下游RANS域时，必须考虑接口的处理方式，具体内容将在以下章节中描述。

4.17.3.1. RANS-LES接口
4.17.3.2. LES-RANS接口
4.17.3.3. 无LES区的内部接口
4.17.3.4. 网格生成指南

4.17.3.1 RANS-LES接口

最关键的接口是流体离开RANS域并进入LES区域的接口（RANS-LES接口）。在此接口处，需要将模型化的湍流动能转换为解析能量，并且必须选择适当的方法来实现这一转换。这可以通过选择两种现有方法之一来在入口处生成解析湍流来实现——即涡旋方法（VM，见涡旋方法（第127页））或谱合成器。 (SS, 参见光谱合成器（第129页）)。这两种方法都已增强，以便它们可以在RANS和LES区域之间的内部界面处使用。RANS信息是从界面上游使用的RANS模型中获取的。有关这些方法的详细信息和建议，请参阅用户指南中的分区建模与嵌入式大涡模拟（ELES）以及设置嵌入式大涡模拟（ELES）模型。

如果在整个计算域中运行DDES、SAS、SDES或SBES模型，界面处理确保从RANS转换到LES的湍流动能从RANS模型中减去，从而避免湍流的重复计算。

4.17.3.2 LES-RANS 界面

在从LES区域返回到RANS区域（LES-RANS接口）的过程中，也存在一些模糊性。第一种选择是在LES区域的ELES模拟期间冻结背景RANS模型。这假设ELES是从一个合理收敛的RANS模拟开始的（无论哪种情况都建议这样做）。LES区域中的动量方程不会受到冻结的影响，因为它们由LES模型提供的涡粘性决定。在“下游”的LES-RANS接口处，RANS模型随后简单地重新激活，使用LES区域内冻结的RANS解作为下游RANS区域的“入口”条件。只要在全RANS和ELES运行之间平均流拓扑结构没有显著变化，或者LES-RANS接口下游的流动与模拟目标无关，这种方法效果良好。然而，需要强调的是，对于这种选择，任何未收敛的RANS初始解都将影响LES-RANS接口下游所有时间的流动。在LES区域内冻结基础RANS模型的湍流变量的选项，适用于所有标准RANS模型。第二种选择是在LES区域内以被动模式运行RANS模型，这意味着该模型在非定常速度场中求解，但得到的涡粘性被LES模型的涡粘性覆盖，用于动量方程。然后在LES-RANS接口处重新激活RANS模型。事实证明，这种方法对于标准RANS模型是失败的，因为它们在LES区域内严重高估了湍流动能。原因在于从非定常速度场计算出的高应变率。这些应变率进入生产项Pk，并在LES区域内产生非常高的湍流水平。然而，这种选项与SST-SAS模型结合是合理的。该模型识别已解析的尺度并相应调整湍流水平。当在下游接口处重新激活时，模型随着网格变粗逐渐转换回RANS，或者如果时间步长和网格分辨率允许，则保持在LES模式。

4.17.3.3 无LES区域的内部接口

存在一种最终选项，即在整个计算域中仅运行单一的混合模型，这意味着在RANS区和LES区之间模型不发生改变。可供选择的模型包括（rke-或SST-）DDES、（SST-）SAS模型、（SST-）SDES模型以及（SST-）SBES模型，这些模型均可在RANS和LES模式下运行。在界面处，可再次选择涡旋方法或谱合成器来生成解析湍流。当使用（rke-或SST-）DDES模型时，需注意，如果网格足够精细以在RANS区激活DES限制器，对于自由剪切流（远离壁面且DDES屏蔽函数未激活的流动），模型将不会处于RANS模式。因此，（I）DDES模型与界面选项的组合主要局限于壁面束缚的内部流动。更多关于DDES的信息，请参阅分离涡模拟（DES）（第109页）；更多关于IDDES的信息，请参阅改进的延迟分离涡模拟（IDDES）（第113页）。

当前使用内部界面的选项与SST-SAS模型结合时更为自然，因为在将模型从RANS模式过渡到界面时无需过多关注。因此，当前的界面处理方法可用于内部流动不稳定性不足以在期望位置将SAS模型转换为尺度解析（“LES”）模式的情况。在界面下游，如果网格和时间步长允许，SAS模型将保持在LES模式；否则，将逐渐转回RANS模式。如果在整个计算域中运行DDES、SAS、SDES或SBES模型，界面处理确保从RANS转换到LES的湍流动能从RANS模型中扣除。这样可以避免湍流的重复计算。

4.17.3.4 网格生成指南

用于RANS和LES区域的网格必须符合底层湍流模型的分辨率要求。图4.14：用于后向台阶的ELES典型网格（第135页）展示了一个ELES网格的示例。通常，LES区域会通过非一致性界面（NCI）与RANS区域连接，以便在LES区域使用更精细的网格。

图4.14：用于后向台阶的ELES典型网格