崔桂香-2013—湍流大涡模拟及应用

1、( 1 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟湍流大涡模拟及城市大气环境中的应用及城市大气环境中的应用航院力学系航院力学系20132013年年9 9月月7 7日日崔桂香崔桂香( 2 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用 提提 纲纲一、走进湍流一、走进湍流 （湍流湍流 ？标量湍流？研究？标量湍流？研究方法？方法？）二、二、湍流及其标量的大涡模拟湍流及其标量的大涡模拟三、三、大涡模拟应用大涡模拟应用城市大气环境城市大气环境四四、大涡模拟进展与展望大涡模拟进展与展望五、五、 思考与创新思考与创新 六、参考六、参考文献文献( 3 )力学进展力学进展湍流大涡

2、模拟及应用湍流大涡模拟及应用2009年9月9日一、走进湍流（1 1） 认识湍流认识湍流(1) 流动流动 T-L(2) 边界层边界层T-L(3) 垂垂板板 L-T（4)网格网格 T什么是湍流？什么是湍流？流动现象流动现象自然界和工程中普遍存在自然界和工程中普遍存在( 4 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用2009年9月9日（6） 羽流羽流扩散扩散6 羽流羽流(5）扩散）扩散 T-L(7）圆管圆管 T-L(8）圆球圆球 T-L( a ) 随机随机拟序拟序多尺度多尺度自自然然界界和和工工程程中中普普遍遍存存在在一、走进湍流一、走进湍流（1 1） 认识湍流认识湍流( 5 )力学进展

3、力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用2009年9月9日射流射流 尾流尾流混合层混合层 随机随机拟序拟序多尺度多尺度一、走进湍流一、走进湍流（1 1）认识湍流认识湍流( 6 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用达芬奇笔下的湍流一、走进湍流（一、走进湍流（2 2）湍流特性湍流特性( 7 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用2009年9月9日例如：同一点的速度测量没有重复性例如：同一点的速度测量没有重复性一、走进湍流（一、走进湍流（2 2） 湍流特性之一湍流特性之一 ： 时空随机性时空随机性( 8 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用En

4、ergy spectra2009年9月9日 湍流特性之二湍流特性之二 多尺度性多尺度性雷诺分解雷诺分解湍流动能湍流动能iiiuUu12iiEuu kkEPTt谱分析谱分析 dEEkk 22EPTk Etkkkk2、湍流特性、湍流特性一、走进湍流（一、走进湍流（2 2）能谱能谱( 9 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用injectiontransferdissipation2009年9月9日经典湍流能量传递理论经典湍流能量传递理论 湍动能逐级传递湍动能逐级传递 Kolmogorov (1941) 湍流特性湍流特性一、走进湍流（一、走进湍流（2 2）( 10 )力学进展力学进展

5、湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用2009年9月9日湍流的特征尺度湍流的特征尺度含能区惯性子区耗散区EIlDIl0l3/43/400Relul3/230Eul1/43一、走进湍流（一、走进湍流（2 2）( 11 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用背景背景标量湍流与污染扩散标量湍流与污染扩散一、走进湍流（一、走进湍流（3 3）标量湍流标量湍流( 12 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用一、走进湍流（一、走进湍流（3 3）标量湍流标量湍流 热热 岛岛 效效 应应背景背景 标量湍流与城市大气标量湍流与城市大气( 13 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流

6、大涡模拟及应用 标量湍流：标量湍流：湍流场中的温度、密度等标量脉动湍流场中的温度、密度等标量脉动 被动标量，被动标量，例如：羽流扩散例如：羽流扩散 主动标量，主动标量，例如：可压缩流动中的温度脉动和密度脉动；例如：可压缩流动中的温度脉动和密度脉动； 重力场中有密度梯度的标量输运重力场中有密度梯度的标量输运 以下内容适用范围：以下内容适用范围： （1） Boussinesq 近似条件下的标量湍流，近似条件下的标量湍流， 即，连续方程为即，连续方程为 速度场的散度等于零；速度场的散度等于零； （2）空间均匀条件下讨论标量湍流的性质。）空间均匀条件下讨论标量湍流的性质。一、走进湍流（一、走进湍流（3

7、 3）标量湍流标量湍流( 14 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用 0iiux21jjjjcccutxPe xx U, L是特征速度和特征长度，通常环境流动中是特征速度和特征长度，通常环境流动中Re1。当当 /D Pe1，就是说分子扩散可以忽略不计。，就是说分子扩散可以忽略不计。因此在流体质点的轨迹上因此在流体质点的轨迹上物浓度不变物浓度不变。D0jjcccuttxPe211Reiiijjijjuuuputxxx x ReULPePeULULD或SdRePrRePePe或基本方程基本方程一、走进湍流（一、走进湍流（3 3）标量湍流标量湍流( 15 )力学进展力学进展湍流大涡

8、模拟及应用湍流大涡模拟及应用 标量标量湍流的能谱湍流的能谱脉动动能随波数（尺度脉动动能随波数（尺度 l 的倒数）的变化的倒数）的变化湍动能谱湍动能谱 E(k) 浓度浓度(温度温度)脉动的均方随波数的变化脉动的均方随波数的变化浓度浓度(温度温度)能谱能谱 Eq q (k) 局部雷诺数局部雷诺数 惯性输运惯性输运 粘性输运粘性输运局部佩克列特数局部佩克列特数 对流输运对流输运 扩散输运扩散输运Re1ULRe1ULPe1ULPe1UL一、走进湍流（一、走进湍流（3 3）标量湍流标量湍流经经典典理理论论( 16 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用 Ek E kq qq q （ 34

9、13EkkE kq qq q 2 35 3E kk 32 317 3Ek kqqqq 2 35 3E kk 1 35 3EkCokq qq q 经典理论经典理论一、走进湍流（一、走进湍流（3 3）标量湍流标量湍流( 17 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用经典理论经典理论1 2d （ 特征时间特征时间 kEkq qq q 1 2 kEkq qq q 1 21BEkCkq qq q 一、走进湍流（一、走进湍流（3 3）标量湍流标量湍流( 18 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用平面截面的片状结构平面截面的片状结构XY0102030051015202530标

10、量湍流的结构标量湍流的结构 2. 脉动标量梯度的片状结构算例脉动标量梯度的片状结构算例 湍流参数：湍流参数：Rel l=50, Pr=0.1-3.0, 网格数：网格数：256 256 256 3. 脉动标量梯度脉动标量梯度 均方根的等值面均方根的等值面典型的空间等值面典型的空间等值面一、走进湍流（一、走进湍流（3 3）标量湍流标量湍流( 19 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用 片状结构产生的机制，片状结构产生的机制， 将标量输运方程求梯度得：将标量输运方程求梯度得：2iiijjijjijjjjustxxx iicx sij是脉动速度的应变率张量，是脉动速度的应变率张量，

11、ij表示脉动速度旋转张量，将上式乘以表示脉动速度旋转张量，将上式乘以 i, 得得 222i ii ii iiijij ijjjjjjustxx xxx 注意注意:脉动涡量对脉动涡量对 i i的质点导数没有贡献，当分子粘性很小时，主要由脉动的的质点导数没有贡献，当分子粘性很小时，主要由脉动的变形率张量对标量梯度的质点导数有贡献，该项贡献可写在变形率主轴方向变形率张量对标量梯度的质点导数有贡献，该项贡献可写在变形率主轴方向2221 12 23 3ij ijssss标量湍流的结构标量湍流的结构一、走进湍流（一、走进湍流（3 3）标量湍流标量湍流( 20 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模

12、拟及应用 片状结构的产生机制（续）片状结构的产生机制（续） 对标量梯度质点导数的主要贡献来自压缩变形，由上页导出的公式对标量梯度质点导数的主要贡献来自压缩变形，由上页导出的公式 2221 12233ijijssss 对不可压缩流体，主轴的变形率之和等于零：对不可压缩流体，主轴的变形率之和等于零：1230sss在均匀各向同性湍流中，以及等梯度标量湍流中，有在均匀各向同性湍流中，以及等梯度标量湍流中，有123: : : (),0,0s s sa ba bab 就是说，脉动速度场在一个方向压缩，另外两个方向拉伸，就是说，脉动速度场在一个方向压缩，另外两个方向拉伸，于是在压缩方向的脉动梯度急速增强，形

13、成片状结构于是在压缩方向的脉动梯度急速增强，形成片状结构在均匀各向同性湍流中在均匀各向同性湍流中a=3, b=1标量湍流的结构标量湍流的结构一、走进湍流（一、走进湍流（3 3）标量湍流标量湍流( 21 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用标量湍流片状结构的空间尺度标量湍流片状结构的空间尺度 给定一个阈值，可以计算片状结构的体积给定一个阈值，可以计算片状结构的体积V和表面积和表面积S。假定一个当量。假定一个当量 的的 圆盘半径为圆盘半径为 d，厚度为，厚度为Ld，由，由V和和S可计算片状结构的平面尺度和厚度可计算片状结构的平面尺度和厚度均匀湍流均匀湍流槽道湍流槽道湍流结论：片状

14、结构的厚度是耗散尺度，当量直径是厚度的几十倍结论：片状结构的厚度是耗散尺度，当量直径是厚度的几十倍2ddLV222dddLS一、走进湍流（一、走进湍流（3 3）标量湍流标量湍流( 22 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用湍流流动湍流流动不规则、多尺度、强耗散的随机运动；湍涡结构有拟不规则、多尺度、强耗散的随机运动；湍涡结构有拟 序性湍动能逐级传输；能谱在惯性子区有序性湍动能逐级传输；能谱在惯性子区有-5/3次方律；次方律；标量湍流标量湍流能谱随雷诺数和派克列特数变，片状结构，间歇性强；能谱随雷诺数和派克列特数变，片状结构，间歇性强； 数值模拟数值模拟准确数值模拟需要极高的时

15、、空分辨率准确数值模拟需要极高的时、空分辨率。 宽谱，宽谱，Lmax/lminRe3/4, Tmax/tminRe3/4 ；Re=104, Lmax/lmin103，跨越，跨越3个量级个量级Lmax是含能尺度是含能尺度,计算域尺度计算域尺度 D10Lmax一、走进湍流一、走进湍流小小 结：结：( 23 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用2009年9月9日哪种流动阻力小？哪种流动阻力小？为什么？为什么？利用和控制湍流利用和控制湍流 凹吭减阻凹吭减阻2、为什么要研究湍流？、为什么要研究湍流？一、走进湍流一、走进湍流(4)(4)( 24 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大

16、涡模拟及应用2009年9月9日利用和控制湍流2RohUR eU h湍流数值模拟湍流数值模拟湍流换热？湍流换热？旋转通道湍流与换热旋转通道湍流与换热 x: 流向流向y: 垂向垂向z: 展向展向 :常数常数为什么要为什么要研究湍流？研究湍流？( 25 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用统计方法给出规则特性统计方法给出规则特性经典的雷诺平均经典的雷诺平均长时间平均，时间平稳过程长时间平均，时间平稳过程近代的统计平均近代的统计平均系综平均系综平均 ，N是样本数是样本数 湍流脉动湍流脉动 或或 雷诺应力雷诺应力 或或TiTidtuTlimu01NnniNiuNlimu11iiiuuu

17、iiiuuujiuu jiuu 3 3、湍流的研究方法、湍流的研究方法 统计理论统计理论一、走进湍流一、走进湍流(4)(4)( 26 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用不同层次的数值模拟方法比较不同层次的数值模拟方法比较二、湍流及其标量的大涡模拟研究二、湍流及其标量的大涡模拟研究( 27 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用不同层次湍流数值模拟的分辨度比较不同层次湍流数值模拟的分辨度比较没有剩余脉动没有剩余脉动以湍动能谱以湍动能谱E E( (k k) )为例为例 DNS分辨所有尺度脉动分辨所有尺度脉动LES只分辨大尺度脉动只分辨大尺度脉动RANS不能分辨所

18、有脉动不能分辨所有脉动不能分辨所有脉动不能分辨所有脉动 精确的数值模拟精确的数值模拟复杂湍流计算机条件不具备复杂湍流计算机条件不具备可分辨大尺度脉动可分辨大尺度脉动需要亚格子模型需要亚格子模型过滤尺度在惯性子区过滤尺度在惯性子区只能预测湍流平均特性只能预测湍流平均特性需要雷诺应力模式需要雷诺应力模式模型不普适模型不普适二、湍流及其标量的大涡模拟二、湍流及其标量的大涡模拟( 28 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用DNS需要需要大量网格大量网格2009年9月9日湍流的特征尺度湍流的特征尺度含能区含能区惯性子区惯性子区耗散区耗散区l0l3/43/400Relul3/230Eul

19、1/4315ul1、大涡模拟基本思想、大涡模拟基本思想tfsKLES模拟模拟二、湍流大涡模拟二、湍流大涡模拟( 29 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用二、湍流大涡模拟二、湍流大涡模拟1 1、大涡数值模拟方法的基本原理、大涡数值模拟方法的基本原理( 30 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用 2、大涡模拟的优点、大涡模拟的优点（1）只需模拟小尺度脉动，有较大的普适性；）只需模拟小尺度脉动，有较大的普适性；（2）节省很大内存和计算时间：）节省很大内存和计算时间：NDNSL/, , 耗散尺度耗散尺度 ； NLESL/ D, DD, D过滤尺度过滤尺度节省网格数

20、节省网格数1-1-(NLES/NDNS)3 = 1- -( / DD3 3当当 / D0.5D0.5时时, , 节省节省87.5%87.5% DNS的大部分网格用在耗散区；的大部分网格用在耗散区；（3）可以模拟高雷诺数实际流动；）可以模拟高雷诺数实际流动；（4）可给出大尺度脉动量，动载荷等随时间的演化。）可给出大尺度脉动量，动载荷等随时间的演化。二、湍流大涡模拟二、湍流大涡模拟( 31 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用3.3.大涡模拟的关键问题之一：大涡模拟的关键问题之一：亚网格模式亚网格模式二、湍流及其标量大涡模拟二、湍流及其标量大涡模拟 涡粘模型涡粘模型(Smargo

21、rinsky, SM): 尺度相似模型尺度相似模型(Bardina, SSM)： 混合型模型混合型模型(MM): 动力模型动力模型(Germano, DM) 结构函数模型结构函数模型(Lesuire, SFM) 谱空间涡粘模型谱空间涡粘模型(EDQNM, SEDM)ijkkijijijsijkkijtijSSSCSD31312212jijissijuuuuC212ijijijsjijiijSSSCuuuuDSCt21DijijijijMMMLC212DkkkkijjijiijuuuuuuuuL31ijijijSSSSM2c*tccctkkkkE.k,k212670212230150 x, xF

22、xC.ktDD常常用用亚亚格格子子模模式式( 32 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用3 3、大涡模拟的关键问题之二、大涡模拟的关键问题之二 标量湍流的亚网格模式（标量湍流的亚网格模式（湍流普朗特数）湍流普朗特数） 将将RANS雷诺应力和雷诺应力和LES亚亚格子应力统一写作格子应力统一写作 ij RANS湍流标量通量和湍流标量通量和LES亚格子标量通量统一写成亚格子标量通量统一写成TiTjiijjiuuxxTiicTxjiTijijiiuucPrTxxx( 33 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用1/PrPrT02468100.30.350.40.45P

23、rPrT01230.250.30.350.40.450.5检验算例一：各向同性速度场中检验算例一：各向同性速度场中 Rel l=50，Pr=0.2-3.0拟合公式拟合公式:Prt=A(Re)+B(Re)/Pr 计算结果计算结果A(Re)B(Re)Rel l=300.3090.0154Rel l 500.3330.0077( 34 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用检验检验算例二：槽道湍流算例二：槽道湍流Reh=2666，Pr=0.2-1.3拟合公式拟合公式:Prt=A(Re)+B(Re)/Pr 计算结果计算结果Y+PrT501001500.80.850.90.9511.05

24、1.11.151.2Pr=0.3Pr=0.4Pr=0.6Pr=0.8Pr=1.0Pr=1.21 / PrPrT012340.80.911.11.2Y+=41.73886Y+=72.92392Y+=110.0421Y+=150.8687( 35 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用 # 除了谱空间涡粘模式外，所有其他亚格子模式属于半除了谱空间涡粘模式外，所有其他亚格子模式属于半 经验性的唯象模式；经验性的唯象模式； # 工程计算常用工程计算常用Smagorinsky和动力模式；和动力模式； # 亚格子模式的机理是动量通量或标量的通量传输亚格子模式的机理是动量通量或标量的通量传输

25、: 发发 展模式的方向。展模式的方向。kc大尺度脉动和过滤掉大尺度脉动和过滤掉的脉动间的动量输运的脉动间的动量输运?亚网格模式综合评价亚网格模式综合评价:( 36 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用 i) i) 亚格子应力的量级亚格子应力的量级 D D2 2 ii)近壁的大涡尺度近壁的大涡尺度y 近壁完全大涡模拟的网格分辨率近壁完全大涡模拟的网格分辨率=直接数值模拟的分辨率直接数值模拟的分辨率 没有近壁模型，大涡模拟不可能用于高雷诺数的真实流动。没有近壁模型，大涡模拟不可能用于高雷诺数的真实流动。 iii) 近壁模型与模拟近壁模型与模拟 代数型的对数律代数型的对数律(Sch

26、umann) ； 近壁抛物化的近壁抛物化的N-S(Moin) 近壁涡粘系数模型近壁涡粘系数模型(Spalart) ；分离涡模拟分离涡模拟-detached-eddy simulation detached-eddy simulation 3 3、大涡模拟关键问题之四、大涡模拟关键问题之四 非均匀过滤非均匀过滤 问题问题(微分与过滤的交换性微分与过滤的交换性/误差误差) 3 3、大涡模拟关键问题之三、大涡模拟关键问题之三近壁亚网格模型近壁亚网格模型( 37 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用（1 1）下垫面复杂；）下垫面复杂；（2）非定常性强；）非定常性强；（3）下垫面分辨率

27、与计算量的矛盾；）下垫面分辨率与计算量的矛盾；（4）多尺度性突出。）多尺度性突出。交通污染物排放和有毒有害交通污染物排放和有毒有害气体泄漏等多出现在城市冠气体泄漏等多出现在城市冠层以下，扩散范围涉及多个层以下，扩散范围涉及多个街区。而且受大尺度和中尺街区。而且受大尺度和中尺度风场影响度风场影响微环境流动的特点微环境流动的特点数学模型和数值方法数学模型和数值方法（1 1）大涡模拟（大涡模拟（ Lagrange动力模式）动力模式）（2）阻力元与浸没边界法的组合模型；阻力元与浸没边界法的组合模型； （3）采用分区并行计算；）采用分区并行计算；（4）多尺度耦合计算。）多尺度耦合计算。三、大涡模拟应用三

28、、大涡模拟应用城市大气微环境研究城市大气微环境研究( 38 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用2009年9月9日算例算例1：模型小区：模型小区算例算例3北京宝联小区北京宝联小区中尺度气象模拟（中尺度气象模拟（WRF） 1001002 km； x 1 km; 高分辨小区模拟（湍流高分辨小区模拟（湍流/污染扩散污染扩散 LES） 221 km； x = 4 50 m;算例算例2澳门荷兰园小区澳门荷兰园小区( 39 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用2009年9月9日澳门 荷兰园小区算例2B:水坑尾街和东望羊街交叉，检测点水坑尾街和东望羊街交叉，检测点2022

29、-4-1839组合模型效果组合模型效果( 40 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用2009年9月9日展向平展向平均风速均风速浓度展浓度展向分布向分布平均风场的流线平均风场的流线算例算例11模型小区模型小区( 41 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用算例算例3:3:北京宝联小区北京宝联小区-2005.9.2计算域计算域 2.31.91.0（公里）（公里）AB1A ： 宝联监测站宝联监测站B ： 车道沟监测站车道沟监测站1 ：重点关注区域：重点关注区域 800600（米）（米）算例算例(8:0，24小时小时)WRF耦合（插值耦合（插值) 138 118 51

30、计算网格：( 42 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用算例算例3:3:建筑物分布及局部网格建筑物分布及局部网格( 43 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用算例算例3:3: 交通源分布示意图及交通流量交通源分布示意图及交通流量交通源分布交通源分布 ：西三环，玲珑路，紫竹院路，蓝靛厂南路：西三环，玲珑路，紫竹院路，蓝靛厂南路交通源强交通源强 车流量车流量COCO排放因子排放因子保有量增长率保有量增长率 孟健，付桦孟健，付桦 等等. .北京西三环路分时段车流量分析。首都师范大学学报，北京西三环路分时段车流量分析。首都师范大学学报，20062006，2727：8

31、9- 9289- 922010-4-20( 44 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用算例算例3:3:与监测数据比较与监测数据比较宝联和车道沟宝联和车道沟timetemperature8101214161820222426283016182022242628303234observationinterpolationassimilation风向风向风速风速气温气温timevelocity6810 12 14 16 18 20 22 24 26 28012345observationinterpolationasimilationtimedirection81012141618

32、202224262830050100150200250300350400450500observationinterpolationassimilationtimevelocity8101214161820222426283001234567observationinterpolationassimilationtimedirection81012141618202224262830-50050100150200250300350400450500observationinterploationassimilationtimetemperature81012141618202224262830

33、1416182022242628303234observaioninterpolationassimilation说明说明：黑点：黑点： 监测值监测值绿线：插值耦合绿线：插值耦合红线：同化耦合红线：同化耦合宝宝 联联 车车 道道 沟沟time(h)CO(ppm)8910 11 12 13 14 15 16 17 18 1900.10.20.30.40.5observationinterpolationassimilation宝联宝联CO浓度浓度( 45 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用2009年9月9日算例算例33浓度与监测值比较浓度与监测值比较 2022-4-1845(

34、 46 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用算例算例3:3:局部流场局部流场11:00 气象所附近地上气象所附近地上20m的平面的平面20:00气象大楼气象大楼气象大楼气象大楼南南北北( 47 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用11:00西东气象气象大楼大楼20:00西东气象气象大楼大楼算例算例3:3:局部流场局部流场气象所附近气象所附近( (地上地上2m2m）( 48 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用算例算例3:3:局部瞬时风场局部瞬时风场垂向垂向Y(m)Z(m)500550600650020406080100120140160南北

35、20：00气象大楼气象大楼Y(m)Z(m)500550600650020406080100120140160气象大楼气象大楼11：00南北( 49 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用算例算例3: Co3: Co浓度场浓度场(2m(2m高高) )11：算例311：0017：00( 50 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用算例算例3:3:浓度演化（浓度演化（8am7pm)8am7pm)2米高度米高度10米高度米高度( 51 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用西东北楼北楼算例算例3 3：13:00-15:0013:00-15:00气象所北楼

36、截面浓度以及流线气象所北楼截面浓度以及流线( 52 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用1. 1. 本讲本讲限于不可压缩限于不可压缩流体在流体在BoussinesqBoussinesq近似条件下的标量湍流问题，它在工程和近似条件下的标量湍流问题，它在工程和自然科学中广泛存在，特别是大气和海洋的环境流动中，标量湍流是重要的基自然科学中广泛存在，特别是大气和海洋的环境流动中，标量湍流是重要的基础。础。2. 2. 环境流动高雷诺数高，环境流动高雷诺数高，直接数值模拟是不现实的，直接数值模拟是不现实的，RANSRANS模型不适应复杂的非定模型不适应复杂的非定常湍流，常湍流，LESLE

37、S是现实的数值模拟方法，目前应用的亚网格模式较简单，尤其标是现实的数值模拟方法，目前应用的亚网格模式较简单，尤其标量通量模式，目前大多采用湍流普朗特数的经验方法；量通量模式，目前大多采用湍流普朗特数的经验方法；标量湍流的是双参数标量湍流的是双参数Re, Re, PrPr（或（或Sd) Sd) 的动力系统（如有浮力或电磁场，还有更多参数）。的动力系统（如有浮力或电磁场，还有更多参数）。 四、总结与展望四、总结与展望( 53 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用 四、总结与展望四、总结与展望 3 3、发展实用有效的亚网格模型发展实用有效的亚网格模型是大涡模拟方法走向工程实用的重要

38、途径，加深是大涡模拟方法走向工程实用的重要途径，加深对对湍流湍流及标量输运本质及标量输运本质的了解。注意：建立亚网格应力（动量通量）的思路和方法不完全的了解。注意：建立亚网格应力（动量通量）的思路和方法不完全适用于亚网格标量通量，标量湍流结构不同于湍流场，输运有非局部性；适用于亚网格标量通量，标量湍流结构不同于湍流场，输运有非局部性； 4. 关注高雷诺数流动关注高雷诺数流动,研究大尺度结构对小尺度脉动的影响，发展多尺度耦合方法；研究大尺度结构对小尺度脉动的影响，发展多尺度耦合方法； 5. 有待进一步研究的突出问题：有待进一步研究的突出问题： 近壁亚网格应力和标量通量模式近壁亚网格应力和标量通量

39、模式，现有的代数近壁模式（，现有的代数近壁模式（Schmann等），等）， 平衡层模式（平衡层模式（Piomelli等）以及分离涡模式等）以及分离涡模式(DES, Spalart等），各有优缺点。应当考等），各有优缺点。应当考虑多尺度效应建立近壁（地）模式，尚待研究发展。虑多尺度效应建立近壁（地）模式，尚待研究发展。 ( 54 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用五、思考与创新五、思考与创新1 1、描述你理解的湍流？、描述你理解的湍流？2 2、你对湍流大涡模拟方法应用和发展、你对湍流大涡模拟方法应用和发展 的新见解？的新见解？( 55 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流

40、大涡模拟及应用 六、主要参考资六、主要参考资料料1. 湍流理论和模拟湍流理论和模拟 2005 张兆顺、崔桂香、许春晓张兆顺、崔桂香、许春晓 清华大学出版社清华大学出版社2. 湍流大涡数值模拟的理论和应用湍流大涡数值模拟的理论和应用 2009 张兆顺、崔桂香、许春晓张兆顺、崔桂香、许春晓 清华大学出版社清华大学出版社3. Cui G.X., Xu C.X., Fang L. Zhang Z.S. and Shao L. 2007 A New subgrid eddy-viscosity model for large-eddy simulation of anisotropic turbulen

41、ce Journal of Fluid Mechanics 582:377-3974. Cui GX, et al. 2004. A new dynamic subgrid eddy viscosity model with application to turbulent channel flow. Physics of Fluid, 16(8) 2835-2942 5. Zhou Haibing, Cui Guixiang, Zhang Zahoshun. 2002. Dependence of turbulent scalar flux on molecular Prandtl numb

42、er Physics of Fluids, 14(7):2388-2394 6. N. Park et al. 2006 A dynamic subgrid-scale eddy viscosity model with a global model coefficient. Physics of Fluids 18:1251097. 崔桂香崔桂香 等，等，城市大气环境的大涡模拟研究进展城市大气环境的大涡模拟研究进展，力学进展，力学进展，2013 年第年第43 卷第卷第3 期期( 56 )力学进展力学进展湍流大涡模拟及应用湍流大涡模拟及应用六、主要参考资料六、主要参考资料8. D. You a

43、nd P. Moin 2009 A dynamic global-coefficient subgrid-scale model for large-eddy simulation of turbulent scalar transport in complex geometries Physics of Fluids 21:0451099. C.Brun and R. Friedrich and C. B. da Silva 2006 A non-linear SGS model based on the spatial velocity increment. Theor. Comput. Fluid Dyn. 20(1): 12110. Meneveau C, et al. 19