LES-SGS模型和基于RANS的湍流模型之间的区别是什么?

Question

我对大涡模拟(LES)建模世界有点陌生，我想知道LES子网格缩放模型(如smagorinski - lilly模型)和基于单方程reynolds -平均Navier-Stokes (RANS)模型(如Spalart-Allmaras)之间的区别。它们都是基于Boussinesq涡流粘度($\mu$)假设，并且都使用一个方程方法来建模$\mu$。然而，没有人将Smagorinsky-Lilly模型用于RAS，也没有人将Spalart-Allmaras模型用于LES。

这两个模型的区别是什么?它们应用于什么样的物理过程?

Answer 1

LES和RANS之间最大的区别是，与LES相反，RANS假设$\overline{u'_i} = 0$(参见雷诺平均Navier-Stokes方程)．在LES中，滤波器是基于空间的，用于降低运动尺度的幅度，而在RANS中，时间滤波器删除时间尺度小于滤波器宽度的所有运动尺度。

我建议大家阅读Fröhlich, Jochen和Dominic von Terzi报道。紊流模拟的LES/RANS混合方法航空航天科学进展44.5 (2008):349-377。

从那篇论文中，特别是“LES和RANS方程的结构相似性”部分，您可以看到，对于LES和RANS，所求解的方程基本上是相同的，然而，物理是不同的。主要区别在于，在RANS中，未闭合项是湍流动能和湍流耗散率的函数，而在LES中，闭合项取决于数值网格的长度尺度。所以在RANS中，结果与网格分辨率无关!

如果一个模型明确地以一种或另一种方式涉及计算网格的步长，那么它就有资格成为LES模型。相比之下，RANS模型只依赖于物理量，包括几何特征，如墙壁距离。

就典型过程而言，这张图很好地总结了它。DNS可以解决所有的运动尺度，一直到Kolmogorov尺度。LES是下一个解决大部分尺度，与最小的涡流建模。RANS与DNS完全不同，它只解析大尺度的涡流，并对其余的尺度进行建模。

上图来自André Bakker的讲座:http://www.bakker.org/dartmouth06/engs150/10-rans.pdf

非常小尺度的流动(例如:湍流边界层)。目前大多数问题在计算上难以解决。

LES:旨在解决DNS造成的计算成本，揭示隐藏在RANS平均值背后的漩涡。良好的沿海规模规模的2D模拟和可能的实验室规模的3D模拟与高度优化的并行代码。

RANS:这是用于湍流建模的计算成本最低的方法，但当某些现象无法平均时，例如不稳定性，它真的不是很好。声波的建模也不正确，因为它们本质上是不稳定的过程，不能平均，所以通常建模者会提高湍流和数值粘度，以从系统中去除声波。

这显示了LES和RANS之间的主要区别。