Smagorinsky模型系数问题

coolhhh

@李东岳李老师，看of2206中planeChannel算例的设置，LES采用Smagorinsky，提到设置Ce=1.048，Ck=0.0265463553，能够Updated to give Cs = 0.065。这里的Cs不太清楚对应哪个参数，但看官网上的符号说明，应该就是对应代码符号应该为Cdelta_。查看vanDriestDelta.C，Cdelta_为读取的参数，但of的算例数值为Cdelta=0.158。
问题：
（1）Cs与参数Ce和Ck的关系式是什么？
（2）Cdelta为读取的参数，如果要更新为0.065，那么是否要手动修改为Cdelta 0.065;而不是自动更新的？

of2206算例设置：/OpenFOAM-v2206/tutorials/incompressible/pimpleFoam/LES/planeChannel

LES
{
    LESModel        Smagorinsky;
    SmagorinskyCoeffs
    {
        Ce              1.048;
        Ck              0.0265463553; // Updated to give Cs = 0.065
    }

    delta           vanDriest;
    vanDriestCoeffs
    {
        delta           cubeRootVol;
        cubeRootVolCoeffs
        {
            deltaCoeff      1;
        }
        Aplus           26;
        Cdelta          0.158;
    }

    printCoeffs     on;
    turbulence      on;
}

OpenFOAM: User Guide: Van Driest

vanDriestDelta.C

    Cdelta_
    (
        dict.optionalSubDict(type() + "Coeffs").getOrDefault<scalar>
        (
            "Cdelta",
            0.158
        )
    )

李东岳

我没太关注esi那面的版本，我看了下openfoam10，好像区别还挺大：

捕获.JPG

Description
    The Smagorinsky SGS model.

    Reference:
    \verbatim
        Smagorinsky, J. (1963).
        General circulation experiments with the primitive equations: I.
        The basic experiment*.
        Monthly weather review, 91(3), 99-164.
    \endverbatim

    The form of the Smagorinsky model implemented is obtained from the
    k-equation model assuming local equilibrium which provides estimates of both
    k and epsilon separate from the sub-grid scale viscosity:

    \verbatim
        B = 2/3*k*I - 2*nuSgs*dev(D)

    where

        D = symm(grad(U));
        k from D:B + Ce*k^3/2/delta = 0
        nuSgs = Ck*sqrt(k)*delta
    \endverbatim

    The default model coefficients are
    \verbatim
        SmagorinskyCoeffs
        {
            Ck                  0.094;
            Ce                  1.048;
        }
    \endverbatim

coolhhh

@李东岳李老师，ESI版本和org版本的Smagorinsky和vanDriest基本是一样的。看了一些帖子，我把问题再总结一下：

根据《Moin, P. and J. Kim, Numerical investigation of turbulent channel flow. Journal of fluid mechanics, 1982. 118: p. 341-377.》，建议取Cs=0.065，而of中默认参数得到的不是这个值，需要调整Ck和Ce。
Ck,Ce与Cs的理论关系，可见《Sullivan, P.P., J.C. McWilliams and C. Moeng, A subgrid-scale model for large-eddy simulation of planetary boundary-layer flows. Boundary-Layer Meteorology, 1994. 71: p. 247-276.》。
根据下面两个帖子结论（帖子中是老版本的of代码），of中Ck,Ce与Cs的关系与上面截图的理论公式一致。那么将of2206中的planeChannel算例设置用的Ce=1.048，Ck=0.0265463553代入，可得到Cs=0.065。

Smagorinsky model details -- CFD Online Discussion Forums ，
[转载]有关OpenFoam中LES smagorinsky模型的推导_馨予_新浪博客

根据projectReport.pdf ，of中植入vanDriest是将指数函数乘以过滤宽度实现，下面截图的公式感觉有点错误，应该改为：$\Delta = min \left [ \Delta_{mesh},(\frac{\kappa }{C_\Delta})(1-e^{-y^+/A^+})y \right ] $，这就与代码和官网上的写法一致。
问题：of的这种引入系数$\kappa, C_\Delta$的植入方式，目前还没找到相关出处，不知道为何要这么取值？同时官网上把$C_\Delta$写成符号$C_s$，所以在想$C_\Delta$是否与$C_s$是相同取值的？也就是说，设置用的Ce=1.048，Ck=0.0265463553，可得到Cs=0.065，那么$C_\Delta$是否要设置为0.065？

李东岳

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA4OTYxNzE4NQ==&mid=2649423373&idx=1&sn=5256db61b40f99c94f1385394f249195&chksm=88067843bf71f155cd69bd332b4c844337de3bb1ffa73adff9299e18e83e43bbe9695e5ba581&token=169745134&lang=zh_CN#rd

我知道你什么意思了，老铁总结的太全面了，可以学习一阵子。
针对你的问题，应该就是我公众号发的那个。我也不清楚为什么OpenFOAM这么植入。有人说这样植入湍流产生与耗散会均衡。

coolhhh

感谢李老师分享，由于直接打开链接看不到评论区大佬的评论，我复制下大佬的观点：
1.

Straka Liu大佬推荐了一个非常有用的网站：Smagorinsky SGS model in OpenFOAM | CFD WITH A MISSION ，根据网站的推导，这两种方法是等效的，得到的$C_s$与Sullivan的论文公式是一致的：

另外，Smagorinsky的开山之作《J. Smagorinsky, General circulation experiments with the primitive equations: I. The basic experiment*. Monthly weather review, 91(3), 99-164, 1963.》,大家现在能下载得到吗，我打开下载网站现在是AMS Journals is unavailable

李东岳

https://www.jianguoyun.com/p/DavTpDMQ9s3ZBhj5saAFIAA

那是说明两种方法植入都可以？那我感觉原始方法更好植入呢: $\nu_t=f(C_k,\Delta,\mathbf{D})$。一个公式就出来了。

coolhhh

李老师，看评论区并根据Sullivan论文，第一种方法应修改为：$\nu _t =\left ( C_s \Delta\right )^2 \sqrt{2\mathbf{D} :\mathbf{D} } $。评论区大佬说的是of中默认值Ck=0.094, Ce=1.048，可以计算得到默认值Cs=0.167，这个数值是根据各向同性湍流的得到的。

最简单的LES到底怎么算

我对湍流模型不太懂，但想到一个猜测观点：
(1) 如果用第一种方法指定$C_s$，根据$C_s=\left ( C_k \sqrt{\frac{C_k}{C_e} } \right ) ^{1/2}$，理论上反推的$C_k$和$C_e$就无法唯一确定，也就是说，一个$C_s$值是可以对应很多对$C_k$和$C_e$，比如采用Cs=0.065，那么可以取Ck=0.026546355, Ce=1.048或者Ck=0.04, Ce=3.585308638等很多组合。但可能第一种方法推导采用了ksgs的生成与耗散平衡假设，因此实际反算的$C_k$和$C_e$是与这种假设唯一相对应的。
(2) 如果用第二种方法，通过指定Ck=0.026546355, Ce=1.048，就可以唯一确定Cs=0.065。也就是说，可以动态指定$C_k$和$C_e$的取值对计算结果的作用程度，并且自然满足所预期的$C_s$。
结合下面这位大佬的评论，猜测第一种方法就默认ksgs的生成与耗散平衡，而第二种方法可以动态指定$C_k$和$C_e$，来反映ksgs的生成与耗散的非平衡关系？也就是第二种方法比第一种方法适用范围更广，当$C_k$和$C_e$能够取平衡状态的值，那么两种方法就是等价的？

最简单的LES到底怎么算

coolhhh

1. 采用第二种方法：

（1）根据Smagorinsky SGS model in OpenFOAM | CFD WITH A MISSION的推导，基于式(5)的Local equilibrium假设，对于 incompressible flows，才能得到式(8)关系，进而得到式(10)和(11)。然后将式(11)与文献中的公式(12)对比，得到式(13)关于$C_e, C_k, C_s$三个系数的关系式。

（2）现在分析式(10)和(11)。

首先这两个公式是基于Local equilibrium假设得到的，将式(10)和(11)代入式(5)，得到的结果自然满足Local equilibrium假设。
接着看式(11)，我们可以通过设置合适的$C_e$和$C_k$，来实现等价的$C_s$。但是，式(10)中$k_{sgs}$的值与$C_k/C_e$这个比值相关联的。换句话说，计算设置满足了等价的$C_s=0.065$，但$C_k, C_e$可以有多种不同组合，这将导致$k_{sgs}$计算结果可能差别很大。根据式(13)，可以得到：$C_k = \left ( C_eC_s^4 \right ) ^{1/3}$，以固定取$C_s=0.065$为例，画图如下。可以看出$C_e$取值越小，$C_k/C_e$比值变化越剧烈。表明了虽然结果都是满足Local equilibrium假设以及实现了$C_s=0.065$，$C_e$和$C_k$仍然要取合适的组合，才能得到合理的$k_{sgs}$

2. 采用第一种方法：

个人疑问是植入：$ \nu _{sgs} =\left ( C_s \Delta\right )^2 \sqrt{2\mathbf{D} :\mathbf{D} } $ ，

那么式 (1d) 中的$k_{sgs}$是怎么计算的？这会不会就是两个方法的主要差别？

李东岳

k_sgs是怎么计算的？这会不会就是两个方法的主要差别？

如果采用$\nu_{sgs} =\left ( C_s \Delta\right )^2 \sqrt{2\mathbf{D} :\mathbf{D} } $ 计算，从湍流模型封闭角度来看，就不需要$k_{sgs}$了。这样没问题。不过确实，用第一种方法$k_{sgs}$怎么算？

另外我觉得你说得对，第二种方法，显示的定义了均衡，第一种方法可能会导致不均衡。

不过公众号留言那位大佬，woaring wings，说第一种用的比较广泛，是不是说错了？

coolhhh

还有of的这种植入方式，只有对于incompressible flows，b系数为0，c系数化简，才能得到$ \nu_{sgs} = C_k \sqrt{\frac{C_k}{C_e} } \Delta^2 \left | \overline{D} \right | $和$C_s=\left ( C_k \sqrt{\frac{C_k}{C_e} } \right ) ^{1/2}$。of采用这种方式可能还考虑了适用于compressible flows情况？

李东岳

@coolhhh thats a good questions.

不过目前我就没见过详细讨论OpenFOAM植入smagorinsky的方法，更别提可压缩适配了。大佬可以搜搜sci，你这整的挺细啊，这些讨论可以做sci的appendix了

李东岳

https://github.com/Unofficial-Extend-Project-Mirror/openfoam-extend-foam-extend-3.1/blob/master/src/turbulenceModels/incompressible/LES/dynSmagorinsky/dynSmagorinsky.C

我最近看到一个老版本的动态模型植入。植入的不是$\nu_{sgs} =\left ( C_s \Delta\right )^2 \sqrt{2\mathbf{D} :\mathbf{D} } $，而是$\nu_{sgs} =\left ( C_s \Delta\right )^2 \sqrt{ \mathbf{D} :\mathbf{D} } $，大佬怎么看

coolhhh

@李东岳李老师，这两个链接在讨论of中的Smagorinsky模型时，也类似讨论of中为何植入的是$\sqrt{ \mathbf{D} :\mathbf{D} } $，相比理论公式看似缺少$\sqrt{ 2} $系数。但其实是一致的，这是因为of中把$\sqrt{ 2} $加到了前面的系数中。下面截图中的理论公式符号代表：$\left | \bar{S} \right | = \sqrt{2 \mathbf{D} :\mathbf{D} } $，但OF公式代表：$\left | \bar{S}_{of} \right | = \sqrt{ \mathbf{D} :\mathbf{D} } $，在CFD-online上的帖子因为把符号写成一样导致了混淆。
Smagorinsky model details -- CFD Online Discussion Forums
[转载]有关OpenFoam中LES smagorinsky模型的推导_馨予_新浪博客

湍流模型我不太懂，在想dynSmagorinsky是否类似于CFD-online的讨论，是否也是把系数$\sqrt{ 2} $加到了前面的系数中？也就是cD(D)可能比dynSmagorinsky理论公式多了$\sqrt{ 2} $系数？

void dynSmagorinsky::updateSubGridScaleFields(const volSymmTensorField& D)
{
    nuSgs_ = cD(D)*sqr(delta())*sqrt(magSqr(D));
    nuSgs_.correctBoundaryConditions();
}

李东岳

替代文字

是不是这个公式里面，也应该有一个$\sqrt{2}$？然后就可以了？

coolhhh

@李东岳这个公式结论是对的，不用加$\sqrt{2}$。CFD-online讨论帖子初始问题混淆点是把OF计算的$\sqrt{ \mathbf{D} :\mathbf{D} } $当做$\left | \bar{S} \right | $，而理论公式的$\left | \bar{S} \right | $表示的是$\sqrt{2 \mathbf{D} :\mathbf{D} } $。OF是单独计算了$\sqrt{ \mathbf{D} :\mathbf{D} } $，为与理论对应，$\sqrt{2}$在前面的系数里计算再相乘。

Smagorinsky SGS model in OpenFOAM | CFD WITH A MISSION这个帖子推导就没有混淆符号，统一用$\sqrt{2 \mathbf{D} :\mathbf{D} } $表示$\left | \bar{S} \right | $

李东岳

你的意思就是，OpenFOAM里面植入的应该是$\nu_{sgs} = (C_s^{of})^2 \Delta^2 \sqrt{ \mathbf{D} :\mathbf{D} } $，其中$(C_s^{of})^2=C_s^2\sqrt{2}$

而不是$\nu_{sgs} = C_s^2 \Delta^2 \sqrt{ \mathbf{D} :\mathbf{D} } $

是这样么

coolhhh

对，因为湍流模型不太懂，我猜测dynSmagorinsky差个$\sqrt 2$可能是这个原因。Smagorinsky模型不是直接植入这个公式，是通过把系数代入$\nu_{sgs}=C_k\Delta \sqrt{k_{sgs}}$后得到等价的$\nu_{sgs}=C_k \sqrt{\frac{2C_k}{C_e} } \Delta ^2 \sqrt{\mathbf{D} :\mathbf{D} }
=C_k \sqrt{\frac{C_k}{C_e} } \Delta ^2 \sqrt{2\mathbf{D} :\mathbf{D} }=\left ( C_s \Delta\right )^2 \sqrt{2\mathbf{D} :\mathbf{D} } $

李东岳

那我知道了，我感觉那个应该是个bug。毕竟这个代码已经过时了。我跟作者确认一下。

李东岳

LES那面为啥所有文章非要定义$|\bfS|=\sqrt{2\bfS:\bfS}$呢，正常张量这玩意就应该是$|\bfS|=\sqrt{\bfS:\bfS}$。不知道最开始那个大佬咋想的。

被这玩意彻底搞蒙了

dxl

是不是这个

CFD中文网

Smagorinsky模型系数问题

1. 采用第二种方法：

2. 采用第一种方法：