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主页 所有问题 第74卷（2019年） 石油天然气科学。技术–修订版IFP新能源，74（2019）56 完整HTML
LES4ICE’18档案：内燃机流动会议LES
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问题
石油天然气科学。技术–修订版IFP新能源
体积74, 2019
LES4ICE’18档案：内燃机流动会议LES
物品编号 56
页数 16
内政部 https://doi.org/10.2516/ogst/2019031
在线发布 2019年6月21日

©A.H.Afailal等人，IFP Energies nouvelles出版，2019年

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1引言

对抗全球变暖和减少大气污染是工业社会的重要环境问题，涉及持续努力减少燃料消耗和控制内燃机（ICE）引起的排放。由于这些原因，污染物标准和CO2排放目标越来越严格。除了这些环境因素外，由于汽车行业的竞争环境非常激烈，开发新产品的成本和时间也是一个主要问题。在这个框架中，非常有必要受益于模拟工具，这些工具在预测能力和成本之间提供了良好的折衷。在内燃机中发生的所有物理现象中，内部流动的运动是关键因素之一，因为众所周知，它直接影响发动机的整体效率及其排放。

ICE中遇到的湍流是壁面湍流，其特点是雷诺数约为105这导致了与孔直径相关的10 cm量级的湍流标度，对于Kolmogorov湍流标度则降至10μm。直接数值模拟（DNS）解决了整个运动范围，计算成本随着[1]，其中Reτ表示基于摩擦速度的雷诺数u个τ目前和不久的将来，这仍然远远超出计算机的能力。因此，通过引入湍流模型来降低计算成本是必要的，并且目前通常采用两种主要方法。

一方面，Reynolds-Averaged Navier-Stokes（RANS）是最常用的方法，也是完全工业化的方法，它也可以表示为非定常RANS的URANS。它对CPU的要求很低，而且有大量型号可供使用，这说明它很受欢迎。在ICE框架中，RANS仅提供相位平均量，这足以评估稳定和稳定的工作点。对于火花点火发动机，实验结果和数值结果之间的比较显示出良好的一致性[2]或对于压燃式发动机[三]例如，使用扩展相干火焰模型（ECFM）作为燃烧模型[4]. 然而，由于其平均性质，RANS很难捕捉到完全不稳定的现象，如循环到循环的变化（CCV），即使最近的工作表明RANS可能与定性评估相关[5]. 另一方面，大涡模拟（LES）基于运动方程的空间滤波，明确地解决了大尺度问题，并对小尺度问题进行了建模。该方法完全适用于预测爆震或CCV等现象[6]. 然而，大涡模拟要求网格尺寸必须足以求解大量湍流能量，这需要较高的计算成本，尤其是在湍流结构较小的壁附近[7]. 由于网格分辨率随着ln（Reτ)而不是对于仍不适用于工业应用的壁解析LES[7]. 撇开计算成本的增加不谈，壁面模型LES在ICE流动中的应用表明壁面摩擦评估的准确性有限[8]这可能是由于已解析的LES字段之间的不一致，而LES字段依赖于空间滤波和墙函数，后者提供的统计平均量与RANS框架相当兼容。

墙壁模型LES的另一种选择是在RANS和LES模型的相同计算中实现共存。自舒曼提出这一概念以来，称为混合RANS/LES建模的方法很早就出现了[9]从那时起，根据Sagaut，可以识别出两种不同的混合方法家族等。的分类[10]:

  • 分区混合方法依赖于RANS-LES界面的不连续处理。RANS和LES区域由用户预定义，每个区域使用标准的RANS和LE模型。主要困难在于解决接口的管理：必须在LES区域的入口处明确重建解析内容，以考虑到RANS区域中缺乏解析波动。

  • 全局或无缝方法基于一组方程，并在RANS和LES区域之间的界面上进行连续处理。特别是，该方法通常使用RANS处理近壁区域，并在LES模式下运行，在该模式下，通过降低原始RANS模型的模型应力或湍流粘度，网格分辨率合适。

尽管开发了大量的混合方法，但其中很少应用于ICE流：Buhl等。[11]利用LES子网格模型对几种混合方法进行了比较研究，如尺度自适应仿真（SAS）和分离涡模拟（DES）。此外，部分平均Navier-Stokes（PANS）最近已应用于移动内燃机[12].

尽管它们很有吸引力，但许多混合模型都有经验基础，无法解决平均RANS和瞬时滤波LES量在同一计算域中相互组合的问题。在这个框架中，最近的无缝模型称为混合时态LES（HTLES）方法[13]因其坚实的理论形式而备受青睐。事实上，多尺度方法被用于对未解决的结构进行建模，并引入了时间滤波[14,15]解决了常规混合方法中尺度分辨率和RANS区域之间出现的固定流不一致问题。本文的第一部分致力于回顾HTLES的主要假设和方程组，并介绍椭圆屏蔽（ES）子模型，该子模型旨在在墙附近实施RANS，而不考虑网格分辨率。在CONVERGE中实现的HTLES中增加了对总湍流动能和耗散率计算的进一步修改，作为对非定常流动应用的首次适应。

关于HTLES模型的验证，Manceau[13]研究了方形圆柱体周围的流动，表明HTLES提供的结果与实验测量结果接近，与LES相比，计算成本大大降低。本文旨在完成HTLES的验证，并评估模型修改建议的有效性。为此，检查了三个有参考数据的静态测试用例。首先，在周期性山丘上的流动上验证了所开发的HTLES，这是用于评估混合湍流模型的常见基准测试案例[16,17]. 然而，该测试案例与目标工业应用显著不同，因为由于光滑壁上的不利压力梯度导致的分离需要将边界层分解至壁，这不是ICE模拟的常见做法。为了评估该方法在用壁函数表示近壁区域的模拟情况下的预测能力，计算了另外两种情况。渠道流动情况使得评估正确预测壁面摩擦的能力成为可能。从汽车工程的角度来看，正确预测摩擦至关重要，因为它与滞留空气质量直接相关，而滞留空气质量与发动机的输出功率密切相关。第三个测试案例与一个稳流试验台有关，该试验台致力于研究具有固定升力的打开阀门周围的流动，其尺寸非常接近实际发动机。

2混合时间大涡模拟

2.1不一致问题的解决方案

无论用于使模型对网格分辨率敏感的概念是什么，许多模型都根据经验定义了尺度分辨率模式，这可能会导致与VLES模型所观察到的LES区域中的错误耗散水平[10]. 此外，它们很少涉及在同一计算域中组合不同性质的RANS和LES量的问题[18].

时间部分集成传输模型（TPITM）[19]解决上述问题。一方面，TPITM将任何RANS模型转换为尺度重解模型[20]以类似于部分集成交通模型（PITM）的方式，定义从一致多尺度方法导出的子过滤尺度[21–23]. 该方法使用光谱截止来定义未解析尺度，并使得在截止波数可以位于含能范围内且网格尺寸适合正确描述已解析流的情况下，可以在相对粗糙的网格上模拟湍流。此外，TPITM通过使用LES的时间形式，消除了统计平稳流框架中LES和RANS之间过渡区的不一致性[14]，因为任何时间滤波量都趋向于无限滤波器宽度极限内的统计平均量[18].

TPITM通过降低建模应力或湍流粘度，将任何RANS模型转换为尺度分辨率模型。在本工作中，子过滤器应力τij公司使用Boussinesq近似建模[24]

(1)哪里νsfs公司是子过滤器的粘度S公司ij公司解析应变率张量。子过滤器湍流动能，k个sfs公司表示频率高于模型所施加截止频率的涡流的能量。

TPITM模型通过修改耗散方程对时间滤波器宽度敏感，从而降低了RANS模型的子滤波器粘度C类ε2系数。然而，该模型的应用表明，由于能量分配是通过ε-等式，而不是直接在k个-方程，因为它是一些混合方法（如DES）的情况[25].

作为解决方案，Tran等。[24]提出了HTLES模型，该模型将TPITM对时间滤波器宽度的依赖性从耗散方程转移到子滤波器能量方程，以维持正确的分辨能量水平[26]. 为此，通过假设两种模型在相同的滤波器宽度下提供相同水平的子滤波器能量，并在滤波器宽度接近无穷大时趋向于相同的RANS模型，可以确保TPITM和HTLES之间的等效性。因此，HTLES在保持TPITM所有理论优势的同时，避免了TPITM在耗散方程上设置能量分配控制的主要缺点。下一节提供了HTLES方程组。

2.2子过滤器粘度评估

HTLES在此基于k个-ωSST模型[13,24]其中湍流粘度表示为

(2)哪里S公司是应变率，和.

与双方程DES相同，通过适当修改k个-等式，但此修改基于时间尺度而非长度尺度

(3)哪里ρ是密度，P（P）sfs公司是子过滤器生产，D类sfs公司是子过滤器扩散和T型是时间滤波器的宽度，定义为[24,27]

(4)其中能量比定义为模型能量的比率k个sfs公司湍流总能量k个总数,是耗散率，以及C类ε1=1.44和C类ε2=1.92为常数。考虑截止频率，Tran等。[24]提出了第页和截止频率，

(5)哪里是扫掠速度[13].表示平均分辨速度量级，以及γ是一个常量。是最高截止频率，dt和Δ=max（dx个，天年，天z（z）)时间步和网格步，以及β是一个固定为0.667的常数，为了在衰减均匀湍流的情况下显示正确的耗散量而进行校准[24]. HTLES估计比率第页基于平衡欧拉谱的分析积分，

(6)在截止频率之间ωc（c）和无穷大C类κ≈1.5是Kolmogorov常数。比例第页以单位为界，对应于RANS模式，并且针对以下值触发缩放分辨率模式第页少于一个。

上面介绍的总紊流动能定义为解析动能之和k个物件和子过滤器动能k个sfs公司,

(7)哪里k个物件定义为，

(8)具有这个我-解析速度的第个分量，而〈…\9002 ;是统计平均算子。

HTLES中使用的参数是时间平均值。然而，k个物件是一个需要较长时间平均才能收敛的统计量。发现（此处未显示）简化表达式，

(9)虽然不会显著影响结果k个物件现在是一个波动的数量。此外，这种简化对于未来的非平稳ICE应用是有用的，在这种应用中，不可能通过时间平均来估计统计量。对于这种情况，使用例如，基于时间过滤。

2.3椭圆屏蔽

混合模型的主要目标之一是在近墙区域以RANS模式运行，以降低有墙模拟的成本。然而，一些混合方法并没有在墙附近正确实施RANS模式。例如，DES在概念上设计为在RANS模式下覆盖附着的边界层，并在分离区域中在LES模式下运行。然而，当模型在边界层内以LES模式运行且网格细化不足时，工业流应用程序显示出模型应力耗竭（MSD）和网格诱导分离（GIS）[28]. 以与DES相同的方式，在Reτ=395表示类似的问题，波动解决后离墙太近，离开墙时增长过快[19].

HTLES在壁面流上的首次应用出现了PITM模拟中概述的类似问题[19]. 比率第页模型预测的墙附近可能小于单位(图1)，这意味着该模型可能会在靠近墙的缩放分辨率模式下运行，这是不需要的。

缩略图 图1

比率的统计平均值第页Re处通道流壁附近HTLES给出的剖面τ = 1000.

在这方面提出了若干解决办法。屏蔽功能添加到DES中的一个增强版本称为Delayed Detached-Eddy Simulation（DDES）[28]为了在边界层中实施RANS模式。类似地，在PITM框架中提出了一种屏蔽，方法是将墙间距依赖性添加到能量比中[19]使用参数α基于椭圆混合（EB）框架，因此RANS模式在墙壁上指定。

以类似的方式，混合因子α添加到的表达式中第页用于HTLES

(10)哪里α是以下方程的解

(11)具有α墙=0和子滤波器长度L（左）sfs公司表示为

(12)具有C类L（左） = 0.161,C类η = 80.

2.4近壁处理

HTLES模型通过在近壁区域使用RANS模型，显著降低了近壁区域尺度重解模拟的成本。要用RANS求解边界层，网格分辨率必须使墙相邻单元小到年 +=墙法线方向上的2。这一要求必须在整个领域进行验证，这在高雷诺数流动和复杂几何形状中可能具有挑战性[29]. 通过使用壁面函数，可以进一步降低工业ICE模拟中必须使用的壁面流的成本，壁面函数可用作整个边界层的显式分辨率的替代方案。

HTLES在此与自动墙功能相结合[29]. 该方法提供了一种通用的公式，根据网格分辨率，使用函数年 +:

  • 比耗散率ω根据以下解析解的混合公式计算ω在粘性亚层中(年是到最近墙的距离），并且在对数区域内

(13)

  • 动量方程的边界条件由粘性子层中摩擦速度的公式定义在对数区域,

(14)哪里C类=5.1和U型t吨是与墙相切的速度分量。

上述方程需要先验知识年 +.摩擦速度的近似值u个τ用于估算年 +

(15)哪里C类μ = 0.09.

此公式扩展了标准壁函数的使用，这些函数最初仅在对数区域有效。

3收敛CFD

HTLES已在CONVERGE CFD中实现，该CFD广泛用于ICE模拟。CONVERGE是一个以单元为中心的代码，使用有限体积法求解可压缩流动方程。网格是使用远离墙的六面体自动生成的，而墙附近的单元是使用切割-细胞技术由几何体的外表面切割的。压力-速度耦合是使用改进的隐式压力算子分裂（PISO）方法实现的[30]. 对流项和扩散项用二阶中心差分近似，并用Crank-Nicolson二阶格式及时推进。Redlich-Kwong状态方程[31]用于气体，以耦合密度、压力和温度。Rhie-Chow酒店[32]插值方案用于保持并置变量，并防止压力-速度解耦和相关振荡。阶跃通量限制器通过限制通量和模拟切换到低阶空间离散化来维持物理解，以避免解中的虚假振荡。

下一节旨在评估HTLES方法在三个统计平稳流情况下的性能。

4应用程序

4.1方法

在三种不同的情况下（周期性山丘、河道水流和定常流动试验台），比较了HTLES的预测结果，并提供了实验或数值参考数据。第一部分讨论了HTLES在周期性山丘中的预测能力。众所周知，该测试用例对RANS和LES都具有挑战性。一方面，RANS可以准确预测分离，但很难准确定位再附着。此外，报告中还报告了结果对所用湍流模型的高度敏感性[33]. 另一方面，大涡模拟（LES）求解下壁附近流动的计算成本很大，这对于正确预测整个区域的流动至关重要。然后，为了评估该方法在通过壁函数表示近壁区域的模拟情况下的预测能力，计算了通道流和稳定流钻机的情况。

为了评估HTLES的定位，还进行了RANS和LES计算。使用非定常双方程进行RANS模拟k个-ωSST（门特和拉姆齐[34])该模型与前面描述的自动墙功能相结合。对于LESσ-模型[35]与Werner和Wengle墙功能结合使用[36].

关于RANS模拟，周期性山丘和河道的结果产生了稳定的解。然而，对于稳流试验台模拟，观察到了小幅度波动，无法获得稳定解，因此进行了统计平均。这些波动可能与中心差分格式的色散误差有关，它可以在分离的剪切层中产生作为扰动的空间振荡[37].

值得注意的是，无论采用何种湍流建模方法（HTLES、RANS或LES），所有模拟都使用相同的网格，以关注模型对结果的单一影响。

4.2周期性山丘上的水流

该配置是ERCOFTAC数据库的一部分，对应于周期性山丘上的二维分离流。由于山体坡度，水流在山体下游分离，导致分离和再循环，然后在随后的山体上游的平坦墙壁上重新附着。基于山丘高度的雷诺数小时=28 mm，体积速度为Re小时 = 10 595.

计算域的维数在[38]因此被选为L（左）x个=9.0小时，L（左）年=3.035小时和L（左）z（z）=4.5小时。年进行了网格为1200万个元素的高分辨率LES[38]，作为参考数据。流量由流向动量源项施加，并对其进行调整，以提供与参考相同的质量流量。此配置已通过k个-ωSST模型和带有ES的HTLES。相同的网格，显示在图2，已用于这两个模拟。网格沿底壁和再循环区域进行细化。网格设置由580万个单元组成。在底部墙处，网格分辨率被优化，以便与墙相邻的单元的厚度约为2英寸墙单元。实际上，这种典型的混合模型测试通常通过求解壁面边界层来完成[16,17]这里也保留了这一最佳实践。

缩略图 图2

周期性山丘上方水流中六面体网格的剖切面。

模拟的总时间为2.5秒，大约相当于67次对流，其中L（左）x个是通道的长度U型大量的体积速度。首先在11个对流时间建立流动，然后在56个对流时间内进行统计平均。初始字段由使用相同设置执行的先前稳定RANS解决方案定义。

在图3，无量纲的等值面问-使用等于0.8的准则来识别HTLES模型给出的湍流结构。为绘制问-等值面突出显示了几何体底部出现的复杂湍流结构，而由于其较低的湍流强度和较粗的网格分辨率，顶部可以看到较少的结构。图4表示比率的统计平均值第页围绕HTLES提供的小山。分离ES执行RANS模式的近壁区域，从而第页=1，域的值很小第页这表明尺度重解方法几乎在所有地方都是活跃的。

缩略图 图3

无量纲的等值面问-标准由HTLES给出的速度大小和ES在周期性山丘流动中着色。

缩略图 图4

比率统计平均值的中心切片第页在域的下部。

根据所进行模拟的统计平均速度结果计算的流线与参考数据进行了比较图5.可以观察到k个-ωSST模型高估了再循环长度。以前使用RANS模型的研究中已经遇到了这个问题[33]因为它们无法正确评估以大量分离结构为特征的流动。与RANS不同，HTLES显示的流线模式与参考数据非常相似。再循环区域的中心位置正确，气流重新附着在与参考相同的位置。

缩略图 图5

周期性山丘上水流流线模式的统计平均值由以下参考数据给出：（顶部）[17]，（中间）k个-ω不锈钢和（底部）HTLES。

图6显示了沿丘陵河道的流向速度的发展。如前所述k个-ωSST速度剖面显示，这种配置的精确度有限。在山丘顶部，由于山丘上游的水流再附着太迟，因此在山墙附近的水流速度被低估。观察时间为RANS模型低估了回流强度水流重新附着太晚了。关于HTLES结果，速度剖面与参考数据非常吻合。流动在适当的位置分离和重新附着，并且准确地预测了再循环区域的大小和强度。

缩略图 图6

周期性山丘河道中流向流速的统计平均值。

图7比较了总湍流动能分布。这个k个-ωSST模型严重低估了湍流动能，特别是在分离的剪切层中，而HTLES显然提供了更好的评估，尤其是在再循环区。在再附着位置的下游，HTLES略微高估了湍流动能。

缩略图 图7

周期性山丘通道中动能的统计平均值。

4.3渠道流量

4.3.1流动条件

渠道水流由两个无限平行墙之间恒定流速的水流组成，如所示图8.

缩略图 图8

渠道水流示意图。

除压力外，流量在x个-方向。将等于176 Pa/m的流向源项添加到x个-以维持水流。基于摩擦速度的雷诺数u个τ为1000，参考数据从DNS中提取（Lee和Moser[39]).

使用粗DNS初始化流，在同一网格上执行，并使用一阶迎风方案。模拟了2 s的物理时间，对应于200次对流(). 在180个对流时间段内收集平均量，并在等于通道高度的距离上沿翼展方向进行平均。模拟在包含以下内容的网格上执行N个x个 × N个年 × N个z（z） =500×50×100六面体，均匀分布。已选择与墙相邻的单元格的高度作为目标年 + = 30. 这一选择的动机是当今工业ICE模拟的实践。模拟的更多详细信息总结于表1.

表1

通道流量情况的流量条件。

4.3.2 HTLES中的椭圆屏蔽

图9表示无量纲轴向速度，作为墙单元中墙距离的函数年 +沿墙单元年 +HTLES给出的信道的椭圆屏蔽（ES）。人们可以注意到ES对流速的影响。表2将模拟给出的流量与DNS数据进行比较。与DNS数据相比，没有ES的HTLES显示出+11%的相对误差，而带有ES的HTLE产生的准确流量显示出仅-2%的误差。

缩略图 图9

ES对河道水流无因次速度剖面Re的影响τ = 1000.

表2

HTLES给出的有ES和无ES的流速。

图10表示无量纲的等值面问-标准等于0.2，基于U型b条和δ，以识别HTLES模型给出的湍流结构。湍流结构在核心区域得到了明确的解决，而在壁附近几乎看不到非稳定结构。该观察结果表明，HTLES能够在近壁区以尺度分辨率模式运行，并通过直接控制能量分配来维持湍流k个-方程不同于在这种情况下在RANS模式下退化的一些混合模型[13].

缩略图 图10

无量纲的等值面问-标准由通道流中带有ES的HTLES给出的速度大小着色。

图11表示比率的统计平均值第页由两个仿真给出。使用ES，比率第页在墙处达到统一并在坡度处减小，坡度比没有ES的模拟中的坡度要小。在远离墙的地方，ES不会影响结果，因为第页与没有ES的非常接近。

缩略图 图11

比率的统计平均值第页Re处渠道水流沿墙法线方向的剖面τ = 1000.

通过检查HTLES给出的波动（有ES和无ES）进行深度分析，如图12，它检查了ES对流向波动的影响。在近壁区域，没有ES的HTLES给出的分辨率波动和子滤波器波动具有相同的数量级。由于比例值较小，缩放分辨率模式在离墙太近的地方被激活第页由墙附近的HTLES模型给出(图11). 在带有ES的HTLES中，子滤波器波动在壁附近增加，因此尺度分辨率区域从壁移开。尽管目标是第页在中绘制图11，通过方程式进行评估(10)，在墙处变为1，在中观察到图12解决了流向波动的很大一部分能量。的确，第页只是进入方程式的模型的一个组成部分(4)在模拟中，没有任何机制强制要求所观察到的分辨率和模型尺度之间的能量分配满足该目标比率。在RANS区内，分辨率波动的穿透有一个有利的副作用，即分辨率能量水平在以下区域较高第页迅速从1下降到约0.1，因此没有观察到模拟的应力损耗。据观察，流向能量的近壁峰值在图12（右）。这是因为在该地区，模拟主要依赖于RANS模型，而RANS模型无法再现该峰值。

缩略图 图12

ES对已解决问题的影响，已建模总TOT=RES+SFS波动的流向分量。左：HTLES。右图：HTLES与ES。

4.3.3与RANS和LES的比较

RANS和LES也在渠道流动情况下进行，速度剖面与HTLES和中的参考数据进行了比较图13. Thek个-ωSST在此配置中显示了非常准确的速度剖面，流速几乎与DNS相同，相对误差为−0.4%，如表3。与RANS不同，LES给出的速度剖面显示出与不带ES的HTLES相同的流速高估。注意，在[8]在通道流中使用壁函数时。事实上，由于壁面附近对整个流动域的动力学起着至关重要的作用，因此结合壁面函数的大涡模拟并不适用于这些配置。

缩略图 图13

RANS、LES和HTLES模型沿壁面法线方向平均轴向速度的比较。

表3

比较不同模拟方法给出的DNS数据流量。

4.4稳流试验台

4.4.1配置

稳流试验台代表了具有固定升程的阀门周围的简化缸内流动。气体被注入进气口，进气口由气缸和固定阀组成，固定阀轴对称地放置在喷嘴内。通过气门开口流出的流量代表进入IC发动机几何结构的进气流量。几何图形的概述及其尺寸与普通乘用车发动机相似，如所示图14基于圆柱体直径和体积速度的雷诺数为30000。Thobois研究了激光多普勒测速（LDA）测量等。[40]提供了距突然膨胀20 mm和70 mm处轴向和径向速度剖面的平均值和均方根值(图14).

缩略图 图14

稳流试验台的示意图和几何参数。

本文所示的结果使用由1402 628个单元组成的相同网格，对稳流试验台内的三个流动模拟进行了比较。六面体网格的侧视图如所示图15：域核心的网格步长为2 mm；在进气管和喷射形成的阀门头部嵌入1mm的改进；在出口处，使用8mm的粗格栅作为海绵层，以避免声波在腔室内反射。在墙处，只要墙距离小于100，网格分辨率就会得到优化。

缩略图 图15

稳流试验台中六面体网格的侧视图。

在计算域的入口处，施加均匀的平均轴向速度剖面，且不随体积速度波动U型大量的=65毫秒−1在300 K时，使实验质量流率恢复（0.06 kg s−1). 模拟了2秒的物理时间。流量建立的时间为t吨=0.3s，相当于通过进气口的8个流量；然后，在通过进气口的44个流量期间（相当于1.7s）收集统计数据。出口处的静压设置为1巴。假定墙壁在水力上光滑且绝热。RANS模拟中使用的初始场定义为均匀场，等于体速度，而HTLES和LES初始场由RANS解定义。

4.4.2与RANS和LES的定性比较

图16显示了RANS、LES和HTLES平均流线计算域中心的截面。阀门上游形成了附加边界层。由于阀门阻力，流量加速，一个圆柱形射流从阀门下游喷出。射流产生了两个轴对称、反向旋转的再循环区域：第一个区域被限制在腔室顶部和套筒上部之间，第二个区域出现在下游且更大。这三个模拟准确地再现了第一个再循环区域的拓扑结构，中心位置由虚线标识。然而，RANS中的第二次再循环时间比LES和HTLES长。

缩略图 图16

用（顶部）RANS（中部）LES（底部）HTLES获得的平均流线的剖切面。

问-标准在图17为了帮助可视化结构，只显示了域的一半。此处采用的网格分辨率故意不足以解决阀门上游的湍流结构。在下游，当网格足够细且远离边界时，湍流结构的一部分被求解。

缩略图 图17

无量纲等值面切割盒问-标准为0.04，由HTLES中的速度大小着色。

4.4.3与RANS和LES的定量比较

为了定量评估这三种方法，分别在距离圆柱顶部20 mm和70 mm处，沿直线1和直线2的平均和均方根速度剖面(图14)与实验测量值进行了比较。

将模拟结果给出的沿直线1的平均轴向速度与图18所有模拟都给出了该位置轴向速度的类似剖面。速度大小和剖面形状与实验结果吻合较好。LES和HTLES平均速度剖面是准一致的，与k个-ω不锈钢。

缩略图 图18

沿直线1的无量纲平均轴向速度的比较。

对于平均径向速度剖面，可以观察到模拟之间的差异，如图19HTLES和LES显示出相似的径向剖面，并对再循环区域内的径向速度剖面提供了良好的评估()，而对于k个-ωSST低估了再循环内的径向速度。实验数据沿该位置的大偏差分布，因此无法得出关于速度大小的明确结论。

缩略图 图19

沿直线1的无量纲平均径向速度的比较。

将沿直线2的平均轴向速度剖面进行了比较图20在HTLES和LES中获得了相似的轴向速度分布，与实验结果吻合良好。这个k个-ωSST高估了中心区域的轴向速度，其中，这证实了RANS模拟高估了较大的再循环。

缩略图 图20

沿直线2的无量纲平均轴向速度的比较。

在图21，沿2号线的径向速度(图14)表示。人们可以注意到这个位置的速度幅度很小。尽管采用了轴对称结构，但实验和模拟数据都不是完全对称的。实验数据中的不对称性可能与测量装置的固有不确定性有关，因为速度幅值较小，而模拟中的不对称可能与未充分收敛的统计有关。HTLES和LES仍然提供了接近实验数据的结果，而k个-ωSST明显低估了该位置的径向速度。

缩略图 图21

沿线路2的无量纲平均径向速度的比较。

下文对轮廓进行了比较。子过滤器和已解决的零件都被考虑在内。将轴向均方根速度剖面与LDA测量值进行比较图22与实验数据相比，所有模拟均显示出可接受的结果。HTLES在较小的再循环区提供了类似于RANS的结果，在较大的再循环区几乎与LES相同。这些结果与之前的观察结果一致，因为RANS模式被强制靠近墙壁，并且网格分辨率足以过渡到尺度重解方法。最后，k个-ωSST结果显示核心区域的波动水平高于HTLES和LES结果。

缩略图 图22

沿直线1的无量纲均方根轴向速度的比较。

在中观察到图23RANS和LES都高估了你的rms（有效值）环形射流位置并错误预测其位置。HTLES精确地再现了轮廓的形状，除了完全缺失的峰值。

缩略图 图23

沿直线1的无量纲均方根径向速度的比较。

图24和25分别显示了沿线2的轴向和径向速度的分布，并且趋势与已经注意到的线1的趋势相同。然而，数据不对称性所反映的实验不确定性使得很难得出沿这条线的均方根速度分布的任何结论。

缩略图 图24

沿直线2的无量纲均方根轴向速度的比较。

缩略图 图25

沿线2的无量纲均方根径向速度的比较。

图26比较壁面静压的轴向分布，以评估不同区域的压降。所有模拟都再现了在x个=0，因为突然膨胀，再循环区的特点是在x个/D类 = 1. 尽管存在良好的定性一致性，但定义为阀门下游位置和区域出口之间的压力差的整体压降在三种模拟之间是不同的。而RANS和HTLES提供了一个接近实验的预测，相对误差为−3%(表4)，LES的精确度较低，相对误差为+11%。正如通道流动部分已经讨论过的那样，这可能是由于LES中采用的壁建模所致。

缩略图 图26

压力轴向剖面的比较。

表4

比较三种模拟得出的压降。

4.4.4 HTLES模型应力分析

比率第页沿线路1和线路2的无ES和有ES的比较图27和28分别是。ES仅影响以下值第页与没有ES的模拟不同第页比沿着1号线和2号线的墙处低很多。这与通道流动情况下获得的结果一致(图11).

缩略图 图27

比率统计平均值沿圆柱体半径（第1行）的剖面第页.

缩略图 图28

比率统计平均值沿圆柱体半径（第2行）的剖面第页.

为了对HTLES模型应力进行更深入的分析，将轴向和径向分量的均方根速度分解为图29和30关于子滤波器均方根速度，对于两个分量和两条线路，其演变与第页显示在中图27和28。两种组件的子过滤器波动在壁上增加，在核心区域减少，但与已解决的组件相比不可忽略。

缩略图 图29

将沿直线1的无因次均方根速度分解为两个分量，RES为解析部分，SFS为建模部分。左：轴向均方根速度。右图：径向均方根速度。

缩略图 图30

将沿直线2的无因次均方根速度分解为两个分量，RES为解析部分，SFS为建模部分。左：轴向均方根速度。右：径向均方根速度。

解析的均方根速度图显示，轴向贡献在沿着线1和线2的壁上消失，这与预期相符。然而，令人惊讶的是，径向分量并没有沿着两条线消失在墙壁上。在RANS和LES模拟中观察到相同的问题图23和25，这说明了规范对墙施加切向速度的难度。

5结论

介绍了混合RANS-LES方法的首次应用，该方法旨在用于ICE的模拟。从TPITM模型导出的拟议HTLES提供了基于多尺度方法的形式。HTLES模型依赖于与k个-ωSST模型，并在k方程的耗散项上引入了一个时间滤波器宽度，它对网格和时间分辨率非常敏感。ES与HTLES相连，以保护近壁区域免受尺度解析法过于靠近壁的侵入。HTLES使用时间平均速度来评估总湍流动能，这是关闭子过滤器能量耗散项所需的。通过将平均过程应用于解析动能而不是总动能，提出了对原始HTLES的修改，并通过去除子过滤器动能平衡方程中耗散项的平均过程。这是将HTLES应用于非定常情况和ICE流动的第一步。

将HTLES方法应用于三个案例，并将结果与参考数据以及URANS进行了比较k个-ωSST模型和LESσ模型。主要结论如下：

  • 周期性山丘中的首次验证表明，所开发的HTLES对这种分离流具有很好的预测能力，而用k个-ωSST模型被严重高估。

  • 对于通道流动情况，HTLES和ES适当地解决了壁面摩擦和流动的不稳定性。能量比随壁距的平滑变化导致从RANS区域到尺度分辨区域的平滑过渡，因此没有观察到模型化的应力损耗。壁面处的RANS模式一方面可以正确预测流速，而尺度分解模拟可以对域其余部分的波动进行满意的评估。

  • HTLES已用于稳流试验台，这是一种接近ICE的配置。HTLES相对于RANS和LES的定位非常好。一方面，对于同一网格，HTLES在平均速度剖面和均方根速度剖面方面的结果与LES一样准确，而与RANS不同，后者与参考数据存在一些差异。另一方面，与大涡模拟相比，HTLES可以正确预测实验压降。

在CONVERGE程序中实现的HTLES在定常流中的应用显示出良好的结果。在非定常流中使用HTLES的唯一剩余限制与计算解析湍流动能所需速度的统计平均值有关，未来的工作将致力于此问题，以使HTLES适用于带移动壁的ICE配置。

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所有表格

表1

通道流动情况的流动条件。

在文本中
表2

HTLES给出的有ES和无ES的流速。

在文本中
表3

比较不同模拟方法给出的DNS数据流量。

在文本中
表4

比较三种模拟得出的压降。

在文本中

所有数字

缩略图 图1

比率的统计平均值第页Re处通道流壁附近HTLES给出的剖面τ = 1000.
在文本中
缩略图 图2

在周期性山丘上流动的六面体网格的切面。
在文本中
缩略图 图3

无量纲的等值面问-标准由HTLES给出的速度大小和ES在周期性山丘流动中着色。
在文本中
缩略图 图4

比率统计平均值的中心切片第页在域的下部。
在文本中
缩略图 图5

周期性山丘上水流流线模式的统计平均值由以下参考数据给出：（顶部）[17]，（中间）k个-ω不锈钢和（底部）HTLES。
在文本中
缩略图 图6

周期性山丘河道中流向流速的统计平均值。
在文本中
缩略图 图7

周期性山丘水道中动能的统计平均值。
在文本中
缩略图 图8

渠道水流示意图。
在文本中
缩略图 图9

ES对河道水流无因次速度剖面Re的影响τ = 1000.
在文本中
缩略图 图10

无量纲的等值面问-标准由通道流中带有ES的HTLES给出的速度大小着色。
在文本中
缩略图 图11

比率的统计平均值第页Re处渠道水流沿墙法线方向的剖面τ = 1000.
在文本中
缩略图 图12

ES对已解决问题的影响，已建模总TOT=RES+SFS波动的流向分量。左：HTLES。右：带有ES的HTLES。
在文本中
缩略图 图13

RANS、LES和HTLES模型沿壁法线方向的平均轴向速度的比较。
在文本中
缩略图 图14

稳流试验台的示意图和几何参数。
在文本中
缩略图 图15

稳流试验台中六面体网格的侧视图。
在文本中
缩略图 图16

用（顶部）RANS（中部）LES（底部）HTLES获得的平均流线的剖切面。
在文本中
缩略图 图17

无量纲等值面切割盒问-标准为0.04，由HTLES中的速度大小着色。
在文本中
缩略图 图18

沿直线1的无量纲平均轴向速度的比较。
在文本中
缩略图 图19

沿直线1的无量纲平均径向速度的比较。
在文本中
缩略图 图20

沿直线2的无量纲平均轴向速度的比较。
在文本中
缩略图 图21

沿线路2的无量纲平均径向速度的比较。
在文本中
缩略图 图22

沿直线1的无量纲均方根轴向速度的比较。
在文本中
缩略图 图23

沿直线1的无量纲均方根径向速度的比较。
在文本中
缩略图 图24

沿直线2的无量纲均方根轴向速度的比较。
在文本中
缩略图 图25

沿线路2的无量纲均方根径向速度的比较。
在文本中
缩略图 图26

压力轴向分布的比较。
在文本中
缩略图 图27

比率统计平均值沿圆柱体半径（第1行）的剖面第页.
在文本中
缩略图 图28

比率统计平均值沿圆柱体半径（第2行）的剖面第页.
在文本中
缩略图 图29

将沿直线1的无因次均方根速度分解为两个分量，RES为解析部分，SFS为建模部分。左：轴向均方根速度。右：径向均方根速度。
在文本中
缩略图 图30

将沿直线2的无因次均方根速度分解为两个分量，RES为解析部分，SFS为建模部分。左：轴向均方根速度。右：径向均方根速度。
在文本中

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