涡流抑制

当今的很多工程领域都需要长距离准确地追踪隔离的涡流。

这些领域包括：

• 航空航天 — 飞机机翼尖端、直升机桨叶和其他组件的涡流
• 潜水艇 — 各种控制表面的尖涡
• 风轮机 — 尖涡及其环境影响。

隔离的涡流可以定义为具有高涡旋值的空间区域 — 有时可以为高得多的值 ( $\text{curl}\left(\mathbf{\text{v}}\right)$ )，也称为“涡流管”。长距离追踪隔离涡流非常重要，因为它们会产生感应速度。此速度进而影响流场和空气动力过程 — 有时在距离产生这些强大的隔离涡流处很远的位置。

由于现有数值格式中具有内置耗散，因此任何此类模拟都会快速耗散这些涡流，除非应用特殊处理。其中一个此类处理是 John Steinhoff 等人引入的涡旋抑制概念（[211]、[194]）。其他人又完善了此概念 [193]。它在 Simcenter STAR-CCM+ 中作为涡旋抑制模型实现。

Simcenter STAR-CCM+ 中涡旋抑制模型的当前实现同时适用于低速流态 () 中的耦合流体模型和分离流模型。 ${\text{Mach}}_{\infty }\le 0.3$ 基本方法包括将力项 ${\mathbf{\text{f}}}_{\omega }$ 添加到动量方程中，以帮助限制涡旋并保持涡旋不扩散。涡旋抑制是单位体积的力 。 $[N/m^3]$

力项 ${\mathbf{\text{f}}}_{\omega }$ 计算如下：

其中，, 为流体密度， 为与 一致的单位矢量。 $\omega =\text{curl}\left(\mathbf{\text{v}}\right)$ $\rho$ $\mathbf{\text{n}}$ $\nabla \omega /|\nabla \omega |$ 下图描绘了 与矢量 和 之间的基本空间关系。 $\omega$ $\mathbf{\text{n}}$ $\mathbf{\text{v}}$

其中，模型系数 （无量纲）在三维的情况下默认设为 0.04，在二维情况下默认设为 0.02，并且： ${\epsilon }_0$

其中， $h$ 是为部网格尺寸，计算为：

$d\text{*}$ 为无量纲壁面距离：

其中， $W_d$ 为壁面距离， $\nu$ 为流体的运动粘度， $V_{\text{scale}}$ 为速度幅值的质量平均值。

其中， 为用户指定的无量纲壁面距离。 ${d\text{*}}_{\text{cutoff}}$

因子 $\mathbf{\text{f}}\left(d\text{*}\right)$ 用于有效停用粘性（层流和湍流）模拟的固体壁面（例如边界层内）旁的涡旋抑制力。停用该模型可防止“涡旋抑制力”影响边界层速度分布（及其因子，如表面磨擦）。作者们（[211]、[194]、[193]）建议在壁面旁停用该模型。

可以针对不同的模拟重新调整无量纲切断壁面距离 ${d\text{*}}_{\text{cutoff}}$ 和模型系数 ${\epsilon }_0$ 。已找到适用于外部空气动力学的默认值。