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    LES直流槽道边界层模拟,如何得到正则化速度u+以及正则化坐标y+?

    OpenFOAM
    槽道湍流 大涡模拟
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    • 李东岳
      李东岳 管理员 @学流体的小明 最后由 李东岳 编辑

      Komen那个是的

      但是我看EugeneDeVilliers博士论文那个用的6万网格计算的u+y+还可以(图5.5)

      我觉得这个是很重要的内容,如果openfoam官方的算例,出现了网格分辨率不够导致的错误,这个bug必须应该处理

      CFD高性能服务器 http://dyfluid.com/servers.html

      C 1 条回复 最后回复 回复 引用
      • H
        hongjiewang @学流体的小明 最后由 编辑

        @学流体的小明 先前我做过这个工作,用于大涡模拟入口的前置算例,我当时画u+--y+使用的你说的方法二得到的,效果还行

        1 条回复 最后回复 回复 引用
        • H
          hongjiewang @学流体的小明 最后由 李东岳 编辑

          @学流体的小明

          对于此,我想请问,Um即平均速度如何给定,雷诺数的计算,假如我是在半宽通道中跑的,即下表面为wall,上表面为symmetry,此时,雷诺数公式里面应该把2h换成水力半径吗

          学流体的小明 1 条回复 最后回复 回复 引用
          • C
            coolhhh @李东岳 最后由 编辑

            @李东岳 在 LES直流槽道边界层模拟,如何得到正则化速度u+以及正则化坐标y+? 中说:

            Komen那个是的

            但是我看EugeneDeVilliers博士论文那个用的6万网格计算的u+y+还可以(图5.5)

            我觉得这个是很重要的内容,如果openfoam官方的算例,出现了网格分辨率不够导致的错误,这个bug必须应该处理

            李老师,EugeneDeVilliers博士论文图5.5,图名写normalised by the DNS shear velocity,是否有可能正则化用的$U_{\tau }$不一样?
            1.jpg

            学流体的小明 李东岳 2 条回复 最后回复 回复 引用
            • 学流体的小明
              学流体的小明 @hongjiewang 最后由 学流体的小明 编辑

              @hongjiewang
              Um是通过在动量方程中直接添加源项实现的,在v2012版本中是:

              /*--------------------------------*- C++ -*----------------------------------*\
              | =========                 |                                                 |
              | \\      /  F ield         | OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox           |
              |  \\    /   O peration     | Version:  v2012                                 |
              |   \\  /    A nd           | Website:  www.openfoam.com                      |
              |    \\/     M anipulation  |                                                 |
              \*---------------------------------------------------------------------------*/
              FoamFile
              {
                  version     2.0;
                  format      ascii;
                  class       dictionary;
                  location    "constant";
                  object      fvOptions;
              }
              // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
              
              momentumSource
              {
                  type            meanVelocityForce;
              
                  selectionMode   all;
              
                  fields          (U);
                  Ubar            (0.4 0 0);
              }
              
              
              // ************************************************************************* //
              

              程序会自动调整压力梯度以达到Ubar的预设值。
              之后我是打算用给定的动量方程源项,相当于给定$\partial p / \partial x$,通过vectorSemiImplicitSource实现。也是在fvOptions中调用。4800是随便给的,和上面0.4m/s的平均速度没有联系哈。$\partial p / \partial x$和$\tau_w$的关系见方法四。
              有一些参考:
              http://xiaopingqiu.github.io/2016/03/20/fvOptions2/
              https://caefn.com/openfoam/fvoptions-semiimplicitsource

              momentumSource
              {
                 type vectorSemiImplicitSource;
                 active on;
                 
              
                 vectorSemiImplicitSourceCoeffs
                 {
                    selectionMode all;
                    volumeMode        specific; //absolute
                    injectionRateSuSp
                    {
                       U           ( (4800 0 0) 0); //partial p / partial x
                    }
                 }
              }
              
              李东岳 1 条回复 最后回复 回复 引用
              • 学流体的小明
                学流体的小明 @coolhhh 最后由 编辑

                那EugeneDeVilliers博士论文的结果也是很好的,你看我方法一算出来的$u_{\tau}$,也相当于DNS的结果吧,画出来之后粘性底层完全对不上。
                而且就算真的有DNS结果,我画出来的曲线的形状,也无法和理论解对上。就关键是形状它就对不上。

                1 条回复 最后回复 回复 引用
                • 学流体的小明
                  学流体的小明 最后由 编辑

                  @hongjiewang
                  槽道的雷诺数公式都是用两倍半高来,不管实际模拟了多少的。
                  摩擦雷诺数是用的一倍半高。

                  其中h为槽道半高,uτ为摩擦速度,ν为运动粘度。根据Pope在Turbulent Flows一书中提到的公式

                  这个公式里面的Re是用的两倍半高,Re_tau是一倍半高。

                  1 条回复 最后回复 回复 引用
                  • 李东岳
                    李东岳 管理员 @coolhhh 最后由 李东岳 编辑

                    @coolhhh

                    normalised by the DNS shear velocity

                    我觉得这句话提供了很多信息,他们应该是用方法1计算的$u_\tau$。

                    如果这样的话,应该是个小bug,就是网格分辨率不够。

                    很难相信会留这么一个小bug在里面

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                    1 条回复 最后回复 回复 引用
                    • Referenced by  李东岳 李东岳 
                    • 李东岳
                      李东岳 管理员 @学流体的小明 最后由 编辑

                      @学流体的小明 在 LES直流槽道边界层模拟,如何得到正则化速度u+以及正则化坐标y+? 中说:

                      通过vectorSemiImplicitSource实现

                      你可以试一下这个,我直觉感觉这个可能会导致流速持续的增加下不来了

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                      学流体的小明 1 条回复 最后回复 回复 引用
                      • 学流体的小明
                        学流体的小明 @李东岳 最后由 编辑

                        那不会的,我最开始就是用vectorSemiImplicitSource的,另外一个算例的正则化的结果和

                        方法二(方法三和四也是这样子的图)摩擦速度归一化结果是

                        类似。您说的流速持续增加很可能是压力梯度的具体数值没设置好,设置得大了。我之前设置的小了,发现平均速度、以及采样的某个点的速度总是在下降。就是驱动力不够,有耗散,速度就降下来了。


                        槽道的平均速度是会趋于稳定的。
                        $h=0.005m$,$U=4.0m/s$

                        bd4ea1d3-b703-4e0a-adce-823944d6b06f-image.png

                        1 条回复 最后回复 回复 引用
                        • 李东岳
                          李东岳 管理员 最后由 李东岳 编辑

                          在动量方程添加一个固定的源项,直觉理解会一直往上增加速度。你这么一说,那就是要设置的刚刚好,这个设置的压力梯度与本身的压力梯度相抗衡。好像是需要这样。不能大、不能小。有道理啊!:146:

                          CFD高性能服务器 http://dyfluid.com/servers.html

                          学流体的小明 1 条回复 最后回复 回复 引用
                          • C
                            coolhhh 最后由 编辑

                            @李东岳 我用OpenFOAM-8也算了channel395,用tutorial算例计算,采用 @学流体的小明 提供的MATLAB程序中method2算的$U_\tau$:

                            1. tutorial算例用的WALE模型,0文件夹其实不需设置k和nuTilda,只需要设置p、U和nut。
                            2. tutorial算例是给定了一个湍流初始场。一开始没注意删掉了,没有初始场到1000s计算不出湍流。初始湍流场的不同对结果是否影响会比较大?
                            3. 一般认为开始计算的一段时间的湍流还没充分发展,计算平均场是都会剔除。tutorial算例提供的统计是从0时刻就开始统计。不过我尝试从1000s才开始统计,共计算5000s,结果与默认算例结果一致。
                              同时还提取了EugeneDeVilliers博士论文图5.5中6万网格的结果,其实跟我们的计算结果一致的,都是有偏差!推测他也是用method2算的。他的论文没有给出参考线,导致看起来结果很好。 图中Spalding曲线是根据《无痛苦NS方程笔记》中提到的公式画出对比。
                              1.jpg

                            (1)tutorial算例默认设置结果:从0秒开始统计

                            u+ - y+.png
                            utao-t.png


                            (2)从1000秒开始统计。1000s的结果其实是1000s这个时刻的瞬时结果,但对整个底面平均后,与后面时刻的结果基本一致。
                            u+ - y+.png
                            utao-t.png
                            4. tutorial算例默认设置,method2计算结果都是在粘性子层结果较好,log区结果不吻合。尝试$U_\tau$按照method1取值,即$U_\tau=0.0079$,结果如下。说明了目前算例结果,改变$U_\tau$,只能满足粘性子层或者log区之一,是无法同时满足这两个区。想要同时满足,可能需要尝试加密网格之类方式
                            u+ - y+.png

                            C 2 条回复 最后回复 回复 引用
                            • C
                              coolhhh @coolhhh 最后由 编辑

                              @学流体的小明 @李东岳 不好意思,刚再仔细看了下,我的getdata数据好像有点问题,我再核实一下

                              1 条回复 最后回复 回复 引用
                              • C
                                coolhhh @coolhhh 最后由 编辑

                                @学流体的小明 @李东岳
                                很抱歉撒上面的getdata数据不小心搞错了,更正如下

                                1. 先说结论,EugeneDeVilliers博士论文图5.5中6万网格的结果,是按照method1计算的。
                                  按照method1,$U_{\tau}=0.0079$,结果如下图所示。EugeneDeVilliers结果也是在粘性子层偏差较大,和method1计算结果基本一致
                                  u+ - y+.png

                                2. tutorial算例默认设置结果:从0秒开始统计,结果更正如下:
                                  u+ - y+.png

                                3. tutorial算例从1000秒开始统计,结果更正如下
                                  u+ - y+.png

                                学流体的小明 1 条回复 最后回复 回复 引用
                                • 学流体的小明
                                  学流体的小明 @李东岳 最后由 学流体的小明 编辑

                                  槽道湍流是无法一直流动下去的,它里面总会有耗散,所以需要施加驱动。
                                  施加驱动的两种方式本质上都是给一个压力梯度,稳定之后,压力梯度就平衡了壁面摩擦力。
                                  其实是这么来的:

                                  1959afe8-18ce-45e1-8206-0f7c65a9f830-9c197790f8b2d16fe0b0eafc7d86828.jpg

                                  也不是不能大、不能小,设置得大了,槽道流速增加,会达到新的平衡的。

                                  不能大、不能小。

                                  L 1 条回复 最后回复 回复 引用
                                  • 学流体的小明
                                    学流体的小明 @coolhhh 最后由 编辑

                                    做的真好,谢谢你的探索和分享
                                    所以EugeneDeVilliers结果也不是那么好,只是他没给出参考线😂

                                    1 条回复 最后回复 回复 引用
                                    • 李东岳
                                      李东岳 管理员 最后由 李东岳 编辑

                                      嗯,经过你们2个的验证,应该就是自带tutorials的问题了。

                                      另外压力梯度那个,我最近在方程里面加了科氏力,也是一个规规矩矩的槽道,只不过尺度非常大(大气层)。目前算出来的结果就是速度持续的在旋转稳定不下来,与类似压力梯度的效果类似,我深入研究下咋回事,看看你那个图能不能解释一下

                                      CFD高性能服务器 http://dyfluid.com/servers.html

                                      1 条回复 最后回复 回复 引用
                                      • 李东岳
                                        李东岳 管理员 最后由 李东岳 编辑

                                        http://dyfluid.com/boundaryFoam.html 我顺着这个里面的方程2,在y方向做积分,继续推了一下:

                                        $$
                                        \int\left(-\frac{\partial \tau_{xy}}{\partial y}\right)\rd y=-\int\left(\frac{\partial p}{ \partial x}\right)\rd y
                                        $$

                                        $$
                                        \tau_{xy}^h -\tau_{w}=-\tau_{w}=\frac{\partial p}{ \partial x}h
                                        $$

                                        所以充分发展的管道,如果壁面剪切力知道的话,应该这样给一个压力梯度。

                                        也不是不能大、不能小,设置得大了,槽道流速增加,会达到新的平衡的。

                                        对,应该是。:146: :146: :146: 还得持续学习啊!

                                        CFD高性能服务器 http://dyfluid.com/servers.html

                                        1 条回复 最后回复 回复 引用
                                        • 李东岳
                                          李东岳 管理员 最后由 编辑

                                          我最近在方程里面加了科氏力,也是一个规规矩矩的槽道,只不过尺度非常大(大气层)。目前算出来的结果就是速度持续的在旋转稳定不下来

                                          我发现添加压力梯度跟平均速度,在我这里还不太一样。添加速度的话,如果是x方向速度,因为科室力会产生旋转,x方向速度一直不变,但是y会增加,导致速度增加。压力梯度却没有。因为跟本帖关系也不大,我先研究一下,然后新开一个帖子讨论。

                                          CFD高性能服务器 http://dyfluid.com/servers.html

                                          李东岳 1 条回复 最后回复 回复 引用
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                                            李东岳 管理员 @李东岳 最后由 编辑

                                            @李东岳 https://www.cfd-china.com/topic/6259/添加动量方程源项导致速度持续增加

                                            CFD高性能服务器 http://dyfluid.com/servers.html

                                            1 条回复 最后回复 回复 引用
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                                              luofq-sysu @学流体的小明 最后由 编辑

                                              @学流体的小明 感谢此贴,感谢几位的研究,解答了我的很多疑问。
                                              并请教:槽道流LES计算的入口inflow速度场影响大吗?
                                              因为我近期也开展了多个雷诺数Re180~5200的槽道流计算,但计算得到的壁面摩擦速度偏小(大约只有目标值的一半)。
                                              对比了一下你的channel1000案例文件,发现一个主要的差别是初始场0/U,看起来你是采用了一种生成脉动速度的入口条件吗?

                                              学流体的小明 1 条回复 最后回复 回复 引用
                                              • 学流体的小明
                                                学流体的小明 @luofq-sysu 最后由 编辑

                                                @luofq-sysu

                                                并请教:槽道流LES计算的入口inflow速度场影响大吗?

                                                我的计算域没有入口出口之分,沿流动方向的两个边界都是周期性的边界条件,展向也是周期性的边界条件。所以无法回答你的问题。

                                                看起来你是采用了一种生成脉动速度的入口条件吗?

                                                是的,用的就是EugeneDeVilliers在他博士论文中提到的初始化槽道流流场的方法。

                                                L 1 条回复 最后回复 回复 引用
                                                • L
                                                  luofq-sysu @学流体的小明 最后由 编辑

                                                  谢谢。@学流体的小明

                                                  我的计算域没有入口出口之分,沿流动方向的两个边界都是周期性的边界条件,展向也是周期性的边界条件。所以无法回答你的问题。

                                                  我的算例也是周期边界的槽道流,其实应该是internalField初始场的影响。
                                                  前面我采用的是uniform的初始速度场,计算湍流雷诺数远达不到目标值。最近按你算例的codeStream代码加入了初始脉动速度,计算雷诺数比较接近目标值了。
                                                  以Re_tau=1000为例,我现在计算得到的雷诺数数值是910

                                                  是的,用的就是EugeneDeVilliers在他博士论文中提到的初始化槽道流流场的方法。

                                                  EugeneDeVilliers大佬的论文提到了这种湍流需要加入初始扰动才能发展,这个初始化方法也有一个 perturbU的开源代码。不过codeStream的实现更方便:146:

                                                  1 条回复 最后回复 回复 引用
                                                  • 李东岳
                                                    李东岳 管理员 最后由 编辑

                                                    最近按你算例的codeStream代码加入了初始脉动速度

                                                    这个codeStream写的扰动,可以保证$\nabla\cdot\bfU=0$么

                                                    CFD高性能服务器 http://dyfluid.com/servers.html

                                                    L 1 条回复 最后回复 回复 引用
                                                    • L
                                                      luofq-sysu @李东岳 最后由 编辑

                                                      这个codeStream写的扰动,可以保证$\nabla\cdot\bfU=0$么

                                                      我只看到codeStream跟perturbU的代码是一致的,具体的公式在EugeneDeVilliers博士论文5.1.2章也能找到

                                                      1 条回复 最后回复 回复 引用
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