崔桂香-2013—湍流大涡模拟及应用详解.ppt

湍流大涡模拟及城市大气环境中的应用; 提 纲;2009年9月9日;2009年9月9日;2009年9月9日;达芬奇笔下的湍流;2009年9月9日;Energy spectra;;2009年9月9日;背景—标量湍流与污染扩散;一、走进湍流（3）—标量湍流; 标量湍流：湍流场中的温度、密度等标量脉动 被动标量，例如：羽流扩散 主动标量，例如：可压缩流动中的温度脉动和密度脉动； 重力场中有密度梯度的标量输运 以下内容适用范围： （1） Boussinesq 近似条件下的标量湍流， 即，连续方程为 速度场的散度等于零； （2）空间均匀条件下讨论标量湍流的性质。; ;;;;平面截面的片状结构;;;;湍流流动—不规则、多尺度、强耗散的随机运动；湍涡结构有拟 序性湍动能逐级传输；能谱在惯性子区有-5/3次方律； 标量湍流—能谱随雷诺数和派克列特数变，片状结构，间歇性强； 数值模拟—准确数值模拟需要极高的时、空分辨率。 宽谱，Lmax/lmin~Re3/4, Tmax/tmin~Re3/4 ；;2009年9月9日;2009年9月9日;;不同层次的数值模拟方法比较;不同层次湍流数值模拟的分辨度比较;;; 2、大涡模拟的优点 （1）只需模拟小尺度脉动，有较大的普适性； （2）节省很大内存和计算时间： NDNS~L/h, h —耗散尺度 ； NLES~L/ D, D—过滤尺度 节省网格数1-(NLES/NDNS)3 = 1-(h/ D)3 当 h/ D=0.5时, 节省87.5% DNS的大部分网格用在耗散区； （3）可以模拟高雷诺数实际流动； （4）可给出大尺度脉动量，动载荷等随时间的演化。;3.大涡模拟的关键问题之一：亚网格模式;;;; # 除了谱空间涡粘模式外，所有其他亚格子模式属于半 经验性的唯象模式； # 工程计算常用Smagorinsky和动力模式； # 亚格子模式的机理是动量通量或标量的通量传输: 发 展模式的方向。; i) 亚格子应力的量级 ~ D2 ii)近壁的大涡尺度~y 近壁完全大涡模拟的网格分辨率=直接数值模拟的分辨率 没有近壁模型，大涡模拟不可能用于高雷诺数的真实流动。 iii) 近壁模型与模拟 代数型的对数律(Schumann) ； 近壁抛物化的N-S(Moin) 近壁涡粘系数模型(Spalart) ；分离涡模拟-detached-eddy simulation 3、大涡模拟关键问题之四 ——非均匀过滤 问题(微分与过滤的交换性//误差) ;（1）下垫面复杂； （2）非定常性强； （3）下垫面分辨率与计算量的矛盾； （4）多尺度性突出。;2009年9月9日;2009年9月9日;2009年9月9日;算例3:北京宝联小区-2005.9.2;算例3:建筑物分布及局部网格;算例3: 交通源分布示意图及交通流量;算例3:与监测数据比较—宝联和车道沟;2009年9月9日;算例3:局部流场;11:00;算例3:局部瞬时风场——垂向;算例3: Co浓度场(2m高);算例3:浓度演化（8am—7pm);西;1. 本讲限于不可压缩流体在Boussinesq近似条件下的标量湍流问题，它在工程和自然科学中广泛存在，特别是大气和海洋的环境流动中，标量湍流是重要的基础。 2. 环境流动高雷诺数高，直接数值模拟是不现实的，RANS模型不适应复杂的非定常湍流，LES是现实的数值模拟方法，目前应用的亚网格模式较简单，尤其标量通量模式，目前大多采用湍流普朗特数的经验方法；标量湍流的是双参数Re, Pr（或Sd) 的动力系统（如有浮力或电磁场，还有更多参数）。; 四、总结与展望;五、思考与创新1、描述你理解的湍流？2、你对湍流大涡模拟方法应用和发展 的新见解？; 六、主要参考资料 1. 湍流理论和模拟 2005 张兆顺、崔桂香、许春晓 清华大学出版社 2. 湍流大涡数值模拟的理论和应用 2009 张兆顺、崔桂香、许春晓 清华大学出版社 3. Cui G.X., Xu C.X., Fang L. Zhang Z.S. and Shao L. 2007 A New subgrid eddy-viscosity model for large-eddy simulation of anisotropic tu