LES 准则

网格化

尺度求解模拟的保真度与网格密切相关：通常情况下，网格越精细，结果越好。但是，可用的计算资源限制了网格单元的数量。

要创建为 LES 分析提供良好结果的网格，可使用以下某种方法：

选择的网格尺寸所得到的截止波数应在相关区域的惯性子范围中。需要使湍动能与亚网格动能的比率 (k/ksgs) 大于 5；如果可行，则大于 20。尽量避免延伸网格。要估计 k/ksgs，使用以下步骤：
1. 根据三个速度分量的场方差值估算湍动能，然后使用此估算定义一个场函数。
2. 将此场函数用于湍动能和亚网格尺度湍动能（亚网格尺度湍动能的场函数），以确定两种动能的比率。
如果 Z 向的尺度较大，且必须精确捕捉它们以进行可靠 LES 研究，则执行 3D 模拟。
对探索网格 [[356] 运行初步 RANS（K-Epsilon、K-Omega 或 RST）模拟。使用 RANS 场函数 Kolmogorov 长度尺度和泰勒微尺度，为 LES 研究确定合理的网格单元尺寸。
Kolmogorov 长度尺度表示湍流谱中的最小尺度。在这些最小尺度下，LES 结果趋向于 DNS 的结果。因此，Kolmogorov 长度尺度可用于限制局部最小网格单元尺寸。

泰勒微尺度为中间长度尺度，位于湍流谱内惯性子范围的耗散区域端。小于泰勒微尺度的尺度主要为粘性驱动。Addad 等人 [350] 演示了基于泰勒微尺度来限制最大网格单元尺寸，可用于构造为尺度求解模拟提供良好结果的网格。

因此，使用 Kolmogorov 长度尺度 $η$ 和泰勒微尺度 $λ$ ，可以根据 $η < Δ < λ$ 来确定合理的局部网格单元尺寸，其中 $Δ = {(Δ_{x} Δ_{y} Δ_{z})}^{1 / 3}$ 。

离散化

为了确保时间和空间保真度以获得较好的 LES 结果，在相关域中获得接近 1 的对流库朗数（作为场函数提供）非常重要。此数取决于网格尺寸。如果网格尺寸较大，则减少时间步长，以改善对流库朗数的值。使用二阶时间离散以及等于或小于 1E-5 秒的时间步。要获得更快的每个时间步收敛，需要提高亚松弛因子。这样可以将内部迭代次数减少到 15 次或更少，缩短了周转时间。

对 LES 使用有界中心差分 (BCD) — 使用适当的混合因子。迎风混合因子值为 0 表示纯中心差分。值为 1 表示纯迎风。请参见有界中心差分。

亚网格尺度模型

可根据应用从以下项中选择：

Smagorinsky 亚网格尺度模型。Smagorinsky 模型常数的默认值为 0.1。对于边界层流和喷射，考虑使用较低的值。均匀各向同性衰变湍流的值较高。注意评估每种情况下 Smagorinsky 模型常数的值。
动态 Smagorinsky 亚网格尺度模型
WALE 亚网格尺度模型。WALE 模型计算成本较低、验证更全面，因此更适用于近壁情况。除非出于兼容性、标准或旧系统的原因需要 Smagorinsky 模型，否则使用 WALE 模型。

初始化

大部分计算时间花在到达可开始收集用于后处理的流统计信息的阶段。在开始任何时间平均运算前，必须消除初始条件的影响。此过程通常需要 2-5 次流通循环。要尽量减少所需的循环次数：

使用 RANS 计算的结果来给出正确的平均场。
获取粗糙网格的收敛并将结果插入到精细网格上。这样即可保留较大的湍流尺度，又可快速确定较小的尺度。

监视求解

始终保留各种量（如速度）的数个监视点，以帮助确定何时开始求平均值。使用时间步作为这些监视器的触发器，因为 LES 模拟是一种瞬态模拟。

监视残差以确定每个时间步内的求解都收敛良好。对比内部迭代，监视不同位置处的其他相关标量（例如，温度或速度），从而确定指定内部迭代内的收敛是否正确。

采样

设置开始时间：

选择开始采样的时间。典型的开始时间是 2-5 次流通时间。使用以下某种方法来计算停留时间：

追踪无质量颗粒的停留时间，从收敛的 RANS 求解开始。请参见建模停留时间。
按平均轴向速度分割燃烧室长度。

定义场监视器：

定义以下场监视器：

场平均速度幅值
场平均温度
场平均混合分数
场方差速度 [i]
场方差速度 [j]
场方差速度 [k]

要定义场监视器：

右键单击监视器节点，选择新监视器，然后选择场平均值或场方差。
选择监视器节点。在属性窗口中，为监视器选择场函数和部件。
展开监视器节点并选择时间步频率节点。在属性窗口中，输入开始时间。
重命名监视器节点，以指示选定的函数。

LES 分析工作流

使用以下步骤：

使用 RANS 运行案例，直至达到合理的收敛水平。请参见 RANS 模拟设置。
估算拉格朗日停留时间。
估算流通时间。
设置 LES 模型。请参见 LES 模拟设置。
使用所有其他冻结的求解器运行拉格朗日求解器。使用约为喷射停留时间两倍的时间段。这种做法可确保喷射能跟上流场。请参见拉格朗日更新。
解冻所有其他求解器并运行 LES 分析。请参见 LES 分析。
如果时间步较小（约 1E-5 或更小），则可以使用每个时间步一次的拉格朗日更新频率，获得更快的周转时间。

RANS 模拟设置

选择 RANS 模型。（请参见雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS) 湍流模型。）

对于非绝热 PPDF 小火焰燃烧模型：

选择下列物理模型：


组合框	模型
状态方程	理想气体
材料	多组分气体
时间	稳态

在多组分气体物理模型节点下，设置以下属性：


节点	属性	设置
混合物属性
分子量	方法	PPDF 表
比热	方法	PPDF Table(PPDF 表)

在 PPDF Flamelet (Adiabatic)(PPDF 小火焰（绝热）) 物理模型节点下，设置以下属性：

节点属性设置

PPDF Flamelet Table(PPDF 小火焰表) 相同混合分数空间激活

节点	属性	设置
PPDF Flamelet Table(PPDF 小火焰表)	相同混合分数空间	激活

对于非绝热 PPDF 平衡燃烧模型：

选择下列物理模型：


组合框	模型
状态方程	理想气体
材料	多组分气体
时间	稳态

在多组分气体物理模型节点下，设置以下属性：


节点	属性	设置
混合物属性
分子量	方法	PPDF 表
比热	方法	PPDF Table(PPDF 表)

在 PPDF Flamelet (Adiabatic)(PPDF 小火焰（绝热）) 物理模型节点下，设置以下属性：

节点属性设置

PPDF Equilibrium Table(PPDF 平衡表) 相同混合分数空间激活

节点	属性	设置
PPDF Equilibrium Table(PPDF 平衡表)	相同混合分数空间	激活

对于求解器，设置下列属性：


求解器	属性	设置
拉格朗日多相	最大库朗数	0.5
拉格朗日多相	最小库朗数	0.3
双向耦合	亚松弛因子	0.75
稳态 > 更新频率	时间步更新频率	10
分区 > 负载平衡选项	再平衡频率	200
速度	亚松弛因子	0.7
亚松弛跃升	跃升法	线性跃升
线性跃升	开始迭代	1
	结束迭代	100
	初始值	0.5
压力	亚松弛因子	0.3
亚松弛跃升	跃升法	线性跃升
线性跃升	开始迭代	1
	结束迭代	100
	初始值	0.1
能量	亚松弛因子	0.9
亚松弛跃升	跃升法	线性跃升
线性跃升	开始迭代	1
	结束迭代	100
	初始值	0.7
PPDF 燃烧	亚松弛因子	0.9
亚松弛跃升	跃升法	线性跃升
线性跃升	开始迭代	1
	结束迭代	100
	初始值	0.7

LES 模拟设置

使用以下步骤：

在自动选择推荐模型激活时，按顺序设置以下模型：


组合框	模型	操作
启用模型	稳态	取消选择
时间	隐式非稳态	选择
启用模型	两层全 y+ 壁面处理	取消选择
启用模型	可实现的 K-Epsilon 两层模型	取消选择
启用模型	K-Epsilon 湍流	取消选择
启用模型	雷诺平均纳维-斯托克斯	取消选择
湍流	大涡模拟	选择
亚网格尺度湍流	WALE 亚网格尺度	选择
启用模型	全 y+ 壁面处理	（自动选择）

设置下列属性：


节点	属性	设置
分离流模型	对流	有界中心差分
非绝热 PPDF 模型 > 混合分数方差	方法	代数关系

根据需要设置边界条件。

对于求解器，设置下列属性：


求解器	属性	设置
拉格朗日多相	最大库朗数	0.5
拉格朗日多相	最小库朗数	0.3
双向耦合	亚松弛因子	0.75
隐式非稳态 > 更新频率	时间步更新频率	每个时间步一次
分区 > 负载平衡选项	再平衡频率	200
速度	亚松弛因子	0.7
压力	亚松弛因子	0.3
能量	亚松弛因子	0.9
PPDF 燃烧	亚松弛因子	0.9

将停止准则 > 最大内部迭代设为 15。（如果残差在 15 次迭代之前收敛，且速度 URF 设为 0.8、压力 URF 设为 0.4，则可以进一步减小此数字。）
用适当的收集开始时间（等于拉格朗日更新时间加上 4-5 倍流通时间）设置所有平均值和方差监视器。
为后处理设置适当的报告和绘图。
保存文件。

拉格朗日更新

接下来，运行拉格朗日更新，以同步非稳态喷射与流场：

冻结所有求解器，隐式非稳态和拉格朗日多相除外。
将停止准则 > 最大内部迭代设为 1。
将停止准则 > 最大物理时间设为 2 × 拉格朗日停留时间。
将拉格朗日更新运行 2 倍的拉格朗日停留时间，使喷射跟上流体。
保存文件。

LES 分析

最后，使用 BCD 运行 LES：

解冻所有求解器。
将停止准则 > 最大内部迭代设为 15。
将停止准则 > 最大物理时间设为 10 × 流通时间。
运行约 5 倍流通时间或所需的时间。然后打开数据采样，并继续运行另一 5 倍流通时间（使总运行时间为 10 倍流通时间）。
保存文件。