fluent用LES算水翼边界层选择中心差分引起的震荡如何消除

[gengchen]

各位大佬好，小弟最近在用fluent算一个扭曲水翼的边界层速度剖面（约1~4mm以下的区域），雷诺数在5e5的量级。经过个把月的计算尝试，排除各种影响因素，现在确定只有中心差分能把边界层速度剖面和脉动量与LDV实验对上，其他差分格式包括有界中心差分（bounded central difference）都带有迎风性质，老师说迎风数值粘性大，可能因此在近壁区域与实验相差较大。

但问题如图，中心差分会在瞬时速度流场存在轻微的震荡，导致涡量表示会有一些碎涡，并且速度场等值面也会不光滑，不知道如何消除，看有的文献貌似是加一个滤波将震荡消除，但是不是很清楚具体做法，不知道各位大佬有何高招。

已经排除的因素如下：
1.网格 数量1000w左右，展向流向法向都经过反复调整，震荡不会因为网格的变化而改变，确定不是网格的问题，并且尝试了非结构的八叉树网格，这样除了边界层几乎是各项同性，仍然会有震荡。
2.LES模型，主要采用的WALE，湍流常数0.325,0.5没有明显区别
3.边界条件，全流道或半个水翼，无影响，进出口速度压力不同组合也无影响
4.速度压力耦合或解耦simple simplec，无影响
5.进口或出口长度， 进口4倍弦长，出口5倍弦长，应该足够了
6.时间步长 从5e-6到5e-5，确定跟CFL数无关，所有库朗数都小于1也会震荡

[李东岳]

看有的文献貌似是加一个滤波将震荡消除

什么文献

不用WALE有震荡么

现在确定只有中心差分能把边界层速度剖面和脉动量与LDV实验对上，其他差分格式包括有界中心差分（bounded central difference）都带有迎风性质，老师说迎风数值粘性大，可能因此在近壁区域与实验相差较大。

你应该先试试看看再说，比如superbee、vanLeer、Minmod甚至upwind

[gengchen]

感谢李老师的及时回复！目前情况是这样

1. https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.5045795 文献引用的文献[23]提到了一种filter,但是并不清楚怎样应用到fluent
2. 试过dynamic也会震荡，貌似跟模型无关，因为要算边界层还是主要用WALE
   3.目前fluent自带的差分格式包括upwind, 2nd upwind, 3ord MUSCL, quick, bound cd 和cd都试了，只有cd能比较精确的算准边界层的速度剖面和脉动强度，检索到涉及定量分析边界层的文献比如槽道流动，平板流动，绝大多数也是用的中心差分，只是雷诺数都偏低。

震荡并不影响边界层平均速度和脉动与实验的对照，但是瞬时流场会有这样的锯齿形状，所以Q涡显示时会有一些非物理的碎涡出现，怎么都感觉会对后处理有影响。。

[心里的小漩涡]

有试过二阶中心差分格式中耦合小部分一阶迎风格式吗，比如给个0.02%的一阶迎风格式，之前用fluent算3900的圆柱绕流，用纯二阶中心出现过数值振荡容易发散的情况，改成混合之后收敛性好很多，精度也还行，没有很明显的下降

[cccrrryyy]

@心里的小漩涡 好奇FLUENT里面怎么实现这个操作？一直以为格式这一块FLUENT没法儿自定义。

[心里的小漩涡]

@cccrrryyy 直接用TUI命令：
solve/set/numerics/
一直回车到1-st order to higher order blending factor: 1就是纯二阶，0.98就是耦合0.02的一阶迎风
感觉有点像TVD格式，也不是很懂，导师之前教我的操作，具体也不是太懂

[cccrrryyy]

@心里的小漩涡 原来可以这样调！恩，这个很类似TVD/NVD了，有空我也去试试

[gengchen]

感谢老铁的建议，我查了查好像没有这种现成的耦合操作，bounded cd可能是最像的，但是经过计算发现在边界层应该是全部切换成迎风格式了，没有部分耦合这种机制。

在国外cfd论坛上找到一个相似的情况，幸运的是那个人好像不关注边界层就改成迎风就没有震荡了，我看有个人的回答也解释了为什么除了中心差分都算不太准边界层。。
The choice of the scheme for LES should be based on the numerical diffusion it introduces. Ideally you should use linear（中心差分）, or cubic. You need good and prett uniform mesh anyways for LES, since you are assuming the filter operator and the differential operator are commutative, which is not true on non-uniform grids! The filtered schemes are a last resort scheme in my view, if you can't really do better with your mesh. Upwind and linearUpwind, but also limitedLinear and QUICK should be avoided because they are too dissipative.
可惜就是无法消除震荡

[李东岳]

把这个盾体扰流的算例发给我我给你调节一下

[gengchen]

@李东岳 https://www.cfd-online.com/Forums/openfoam-solving/106700-dicretization-schemes-les-pitzdaily.html 李老师，这是钝体扰流那个原贴，里面好像发了几个算例文件，不过我Openfoam水平有限，您可以参考下帖子

[gengchen]

试了下，把水的粘性增大了一百倍，也就是雷诺数降了100倍，震荡就没有了，但是边界层整个就加厚了几十倍。。难道高雷诺数下解析边界层是无解的吗

[李东岳]

我又看了下，你这个是Fluent啊。

不涉密的话可以把网格发给我我用openfoam跑跑

[gengchen]

@李东岳 谢谢李老师 您有时间的话可以试试foam的中心差分格式，我用CFX和fluent都会有震荡。这是约450万的网格文件：https://cowtransfer.com/s/82c878e62de64d
介质为水，边界条件inlet 5m/s, outlet 静压45300 Pa，wall为滑移壁面，foilwall为无滑移壁面，symmetry面设为symmetry，LES模型用的WALE，时间步长用的5e-5

[李东岳]

Sorry that I am using OpenFOAM to set up the test case and my Chinese input is missing. How long does it take to observe the oscillation?

[gengchen]

@李东岳 李老师，我是用的超算3个节点，大概80核，定常SST20分钟，非定常中心差分只要算起来应该就有震荡，算到升力系数稳定的话可能要3个小时左右？（可以先用迎风差分）后面改差分格式是直接用前面算好的结果初始化，算个几十分钟（0.1s）就能看下大概结果。我想知道Openfoam有没有更好的差分方法可以在保证精度的同时抑制震荡

[李东岳]

@gengchen 在 fluent用LES算水翼边界层选择中心差分引起的震荡如何消除 中说：

目前fluent自带的差分格式包括upwind, 2nd upwind, 3ord MUSCL, quick, bound cd 和cd都试了，只有cd能比较精确的算准边界层的速度剖面和脉动强度

Regarding this, do you have any plots?

[gengchen]

李老师，可以先看下0.15弦长处的速度剖面，我是在这个位置插入一根沿z方向4mm线导出平均速度，x=0.0002m, y=-0.059182m, z=0.016964m到0.020964m，根据最大值无量纲化，图表附在文件里。velocity_profile_ldv_test_0.15C.zip

[李东岳]

@gengchen I cannot open opju document. Could you please upload an image?

[gengchen]

抱歉，李老师，那我直接把LDV的数据贴上吧，谢谢老师！

0.51874	0.02
0.54523	0.04
0.57821	0.06
0.60027	0.08
0.61619	0.1
0.63168	0.12
0.65259	0.16
0.67519	0.2
0.69035	0.24
0.71312	0.28
0.72578	0.32
0.75144	0.38
0.76757	0.42
0.78385	0.46
0.79825	0.5
0.81624	0.54
0.83174	0.58
0.86305	0.66
0.89698	0.74
0.9205	0.82
0.94188	0.9
0.96355	0.98
0.98842	1.14
0.99863	1.3
1.00000 1.46
0.99797	1.62
0.99706	1.78

[李东岳]

1. is it time-averaged U predicted by LES?
2. What is the maxima? the Umax in this line or in the computational domain?

Your results look quite good. Is it predicted by linear scheme? How about the other schemes, e.g., limited schemes?

I am runing LES simulation, but it is very slow. I try to limit Co under 0.6. Since the global Umax is around 10 m/s, it indicates $\mathrm{\Delta }t=2.6e-6$. What value is your global Umax?

Courant Number mean: 0.00518159 max: 0.59921
deltaT = 2.67779e-06
Time = 0.0168822

GAMG:  Solving for p, Initial residual = 0.0474207, Final residual = 0.00156874, No Iterations 2
time step continuity errors : sum local = 3.90116e-10, global = -6.12223e-14, cumulative = 5.73243e-11
DICPCG:  Solving for p, Initial residual = 0.0105353, Final residual = 9.99036e-07, No Iterations 608
time step continuity errors : sum local = 2.48515e-13, global = -3.59741e-15, cumulative = 5.73207e-11
ExecutionTime = 401.48 s  ClockTime = 421 s

fieldMinMax minMaxp write:
    min/max(mag(U)) = 0 10.5464

Courant Number mean: 0.0051816 max: 0.601813
deltaT = 2.61829e-06
Time = 0.0168848

GAMG:  Solving for p, Initial residual = 0.0479045, Final residual = 0.00156265, No Iterations 2
time step continuity errors : sum local = 3.72593e-10, global = 2.37179e-14, cumulative = 5.73444e-11
DICPCG:  Solving for p, Initial residual = 0.0102726, Final residual = 9.97099e-07, No Iterations 152
time step continuity errors : sum local = 2.38352e-13, global = 2.12724e-14, cumulative = 5.73657e-11
ExecutionTime = 402.54 s  ClockTime = 423 s