RANS URANS DES LES VLES？

[cccrrryyy]

准备研究下湍流模型，发现除了RANS和LES之外多出来的这些东西都不甚理解，特别是它们开发的背景和物理含义，有没有大佬能讲解下？

对URANS我个人是存疑的，因为RANS是时均，总觉得URANS不是特别靠谱。但是，很多文章在做URANS，也很成功。看到一种说法是这个方式的正确应用取决于所研究物理现象的本质，主要是涡的时间尺度。

对DES和VLES，看了一些文章，大致意思是都属于为了避免LES太过耗费资源而搞出来的折中方法，因此其正确应用都有一些限制。

希望有大佬能不吝赐教，这几种湍流模拟方式本质的区别到底是什么？

[falltime]

@cccrrryyy 在 RANS URANS DES LES VLES？ 中说：

准备研究下湍流模型，发现除了RANS和LES之外多出来的这些东西都不甚理解，特别是它们开发的背景和物理含义，有没有大佬能讲解下？

对URANS我个人是存疑的，因为RANS是时均，总觉得URANS不是特别靠谱。但是，很多文章在做URANS，也很成功。看到一种说法是这个方式的正确应用取决于所研究物理现象的本质，主要是涡的时间尺度。

对DES和VLES，看了一些文章，大致意思是都属于为了避免LES太过耗费资源而搞出来的折中方法，因此其正确应用都有一些限制。

希望有大佬能不吝赐教，这几种湍流模拟方式本质的区别到底是什么？

DES本质上是一种Hybrid RANS/LES，在一些区域是RANS求解（近壁），在另外区域调整成类似LES求解。

[李东岳]

RANS LES DES都比较好理解。我想说的是这个VLES以及URANS，在Ferziger and Peric第三版的书里面，作者们认为VLES就是非稳态URANS：

A method that accomplishes this is called either very large eddy simulation (VLES) or unsteady RANS. In this method, one uses a RANS model but computes an unsteady flow.

然而Ferziger and Peric第4版，好像没有这么激进：

have what is called very-large-eddy simulation (VLES). Accordingly, in VLES, one uses an LES code to compute the unsteady flow, but employs a large grid size and perhaps more sophisticated turbulence model to properly represent the modeled motions, e.g., Reynolds stress or algebraic Reynolds stress models

上文我理解URANS也是VLES，但是表述的没有第三版那样直接。

[cccrrryyy]

@falltime 那就是说还有别的Hybrid RANS/LES方法对吧？另外还有一点，为什么是“类似LES”，不是真正的LES求解？

[cccrrryyy]

@李东岳 李老师，怎么理解URANS，或者说怎么看待URANS出来的结果？

RANS的理论基础是求解长时间的平均场，这个“长时间”按道理要超过这个物理问题本身的时间尺度才对。这意味着在仿真的时候我需要对这个物理问题的时间尺度有大致的估算，否则出来的结果可能不太对，或者说对结果的解释应该更加小心一些。

VLES我先找几篇综述看看。

[李东岳]

我对湍流理论那面也没有太研究，所以只能从方程和经验上说一点。

URANS跟RANS在方程上唯一的区别就是多了瞬态项，所以RANS只能用于稳态模拟，URANS就可以用于瞬态模拟，因此也存在了瞬态的涡结构。RANS也可以预测出涡，URANS也可以预测出涡，同时URANS预测的涡是瞬态的。RANS预测的涡要比精细的LES大的多，同时URANS预测的瞬态涡也要比LES大的多，但要比RANS的小，因为一些小的瞬态涡被RANS抹掉了，但是URANS可以保留。同时，URANS时间平均后的结果，一定是趋向于RANS的。所以我认为URANS在时间上的推进精准度肯定不如LES，但是URANS、LES时间平均后的结果要与RANS一致。

类似的，URANS与LES从传输方程上区别也非常少，区别仅仅在与$\nu$的模化，如果是LES的$\nu$，那就是LES，如果是URANS的$\nu$，那就是URANS。湍流理论会从底层特别深的地方，推导出来$\nu$的不同，但是代码就是代码，不知道底层啥样的，到了代码这一层，只不过就是$\nu$的大小不同。

[cccrrryyy]

@李东岳 URANS我目前还没尝试过，没有具体的例子可以讨论。LES时均后和RANS结果的一致性，是要分情况的。稍微复杂点的时候，LES的时均结果RANS很难算出来。

一个典型情况就是旋流。流体从喷管旋转喷射出来后，由于旋流会导致下游轴线上有负压区，是很典型的现象。这种情况，RANS不太好算，需要尝试不同的模型或者调参，对不同的工况几乎很难用同一套RANS模型和参数成功的仿真，但LES的时均结果很容易就能算出来负压区的存在。

方程上特别是到代码上，区别确实很小，这点想想挺神奇的。

[李东岳]

LES时均后和RANS结果的一致性，是要分情况的

我觉得，我个人认为，所有的模型时均后的结果都应该一样，不仅仅模型，所有LES\RANS\实验数据 时均后的结果都应该一样。如果某个RANS模型不好，那应该是某个RANS的预测能力不好，比如kEpsilon可能就不太好。如果负压区RANS预测不好，那就应该是RANS模型的problem（问题）。但完美角度来看，模型+实验数据时均后的结果都应该一样。

[cccrrryyy]

@李东岳 我赞同在条件允许的情况下，不管什么模型算出来的结果和同等条件下的实验结果必须一致，但是这个前提是条件允许。

这里就有些争议，比如LES和RANS，它们求解的量严格来说是不一样的，LES求解的是滤波后的速度，RANS求解的是时均后的速度，这两个东西本身不一样。我个人理解，严格意义只有当这个湍流是稳定（stationary）、各向同性（isotropic）的情况下，才能直接拿来对比。（以上表述大概率不对，还请大佬指点）

这也是我为什么始终对URANS存疑的根源，也是为啥我特别想搞清楚这些理论区别到底在哪里

[李东岳]

跑个题，拓展个思路。

类似URANS，旋转机械可以用动网格或者MRF处理。Fluent那面的MRF好像只能用在稳态？这种思想就类似RANS只能用在稳态。然而OpenFOAM这面MRF，也能用于瞬态。变成了瞬态MRF。我个人认为瞬态MRF的时间步进肯定不如动网格精准。但时间平均后需要跟动网格一致。

[黄昏晓为谁破]

@cccrrryyy
返回到前面下，Hybrid RANS/LES方法现在还是挺流行的，据我了解，上文提的DES,VLES,以及流体机械文献中常用的PANS都属于混合模型。类似“LES”，应该是指从现象上看获得的结果跟LES类似，但是求解的方程跟LES不同，比如VLES模型（特指南航韩省思教授文章里发展的），就是基于RANS模型框架发展的，当网格较密的时候，便能达到LES的计算精度，但是方程中并没有涉及到过滤速度。

对于URANS，从现象上的比较，对于某些本身具有较强瞬态特性的流动现象，URANS可能会优异些。对于稳态计算（指最终结果与初始值无关），RANS跟URANS应该相差无几，对于非稳态（最终结果与初值有关），那URANS应该由于RANS的。

额外跑个题，对于URANS，多了个瞬态项，那每个时间步计算的时均速度（时均动量）都是从第一个时间步开始累加后平均后获得么？那初值的影响应该有可能很大有可能就没有。对于RANS，初值对结果几乎没啥影响，本身可能就跟一般牛顿法迭代就方程一样，最终获得近似值。

[coolhhh]

大佬，我也一直有个疑问。LES算瞬态，入口加载随时间变化的脉动风实现湍流能量的输入。URANS算的瞬态，入口能否也类似LES加载随时间变化的脉动风，但RANS本身不已经输入了k，那么得到的结果是否有种能量重复叠加的感觉？

[李东岳]

对于URANS，多了个瞬态项，那每个时间步计算的时均速度（时均动量）都是从第一个时间步开始累加后平均后获得么？

对于$\int_t^{t+\Delta t}$的$\Delta t$，从理论上URANS这个$\Delta t$是任意的，如果不考虑附加的湍流封闭模型如ke之类，$\Delta t$足够的小，就变成了LES，$\Delta t$足够的大，就变成了RANS。然而$\Delta t$并不需要显性的给定。所以对URANS取决定性的还是$\mu_t$