177、LES模型入口边界条件参数设置详解
上一篇讲LES模型的文章里，没有提及到入口边界条件。对于LES，入口这一步的影响比很多人想的大，脉动给得不真实，后面的流场计算肯定会出问题。这篇把入口湍流脉动怎么给单独讲清楚。
1. 为什么LES的入口比RANS更复杂
1. 为什么LES的入口比RANS更复杂
RANS的入口很简单：给平均速度、湍流强度、长度尺度。因为方程解的就是平均场，入口就给平均量，非常的合理
LES不一样：解的是瞬时场，入口在每个时刻进来的值都会直接进入计算。真实的湍流入口，瞬时值是"平均值+不断随机起伏的脉动"。如果入口只给平均值，域内湍流只能靠流动自身的不稳定性慢慢长出来，需要很长的发展段，工程上常见的短计算域根本等不起。
所以Fluent专门为LES（以及SAS、DES、SDES、SBES这些尺度解析模型）准备了一套入口脉动生成方法。有四点问题需要先知道：
入口脉动共四个选项：No Perturbations（无扰动）、Vortex Method（涡方法）、Spectral Synthesizer（谱合成器）、Synthetic Turbulence Generator（综合湍流生成器）；
对速度入口，脉动直接叠加在指定的平均速度上；对压力入口，则是通过在动量方程中加入虚拟体积力来引入重构的脉动，且只作用于入口附近第一层网格；
域内非定常能不能维持，取决于流动本身与网格间距，入口脉动类似于"点火"，火点着了还得有东西可烧，才能维持火势；
入口湍流参数必须真实，这一点和RANS不同，可以参考文章：三十三、Fluent边界条件湍流参数设置详解。对于LES模型，官方帮助文档强调LES入口湍流参数应提供来自前置RANS计算的U、k、ε（或ω）剖面，均匀的湍流剖面会在入口生成不真实的涡。同时General任务页中Velocity Formulation的转换顺序会影响脉动幅值与STG全局时间尺度的计算。
前置RANS计算怎么算、参数怎么定，可以参考163、一文讲透k-ε湍流模型的底层逻辑与设置依据和164、一文讲透k-ω湍流模型的底层逻辑：它和k-ε到底有什么本质不同？。
2. LES边界条件
2. LES边界条件
开启LES模型后，速度/压力入口对话框会多出一个Fluctuating Velocity区，脉动算法就在这里的Fluctuating Velocity Algorithm下拉框里选：
有四个选择，从上到下依次是：
No PerturbationsVortex MethodSpectral SynthesizerSynthetic Turbulence Generator
3. No Perturbations：什么都不做
3. No Perturbations：什么都不做
最简单的选项：瞬时速度分量直接等于平均速度分量，不给任何脉动。
仅当入口湍流本身可忽略、或不影响整体计算精度时，比如外部绕流的远场入口、湍流强度极低的自然对流。
反过来说：只要入口湍流重要，就必须往下看三种脉动生成方法。
4. Vortex Method：在入口面上"撒涡"
4. Vortex Method：在入口面上"撒涡"
涡方法的思路很物理：湍流脉动的本质是一团团旋转结构，那就直接在入口面上布置一些随机运动的小旋涡，让它们诱导出速度起伏。这个方法由Sergent在2002年的博士论文中提出，Mathey等人在2003年将它引入LES入口条件，Fluent沿用至今。
具体实现：在垂直于主流方向的平面内布置随机对流的涡点（vortex points），每个涡点携带环量Γ与假设的空间分布η，按Biot-Savart定律诱导速度，得到入口速度场的离散形式：
其中e为流向单位矢量。涡的强度由入口湍动能剖面决定；涡的尺寸σ通过湍流混合长度假设，由入口的湍动能与耗散率剖面算出：
并保证涡始终属于可解析尺度，σ的下限与当地网格尺寸绑定。这是因为，比网格还小的涡本来就不该出现，LES只负责可解析尺度，涡方法生成的涡不能越界。涡点环量的符号在每个特征时间尺度内随机翻转一次，该时间尺度对应涡以主流速度移动其平均二维尺寸100倍的距离（系数100来自数值测试）。涡的不断"翻新"保证了脉动是时间相关的随机过程。
同时，涡方法只处理垂直于流向平面内的速度脉动，流向脉动怎么办？Fluent用了一个简化的线性运动学模型（LKM）：把平均流向速度当成被动标量，让它被横向脉动"搬运"，由此诱导出流向脉动；平均速度梯度为零的位置则退化为随机扰动。
对话框里还有一个Number of Vortices参数控制涡点数量。在RANS/LES混合方法中，在两类区域的交界面上也可以启用涡方法注入脉动，涡点数就填在这个对话框里：
使用涡方法前，四条注意事项：
质量守恒不强制。
涡方法生成的脉动可能不满足质量守恒，带来意外的压力脉动，在声学计算中表现为虚假噪声，解决办法是在入口对话框勾选 Satisfy Mass Conservation?； 
入口面必须（尽量）垂直于主流方向。
涡方法的理论建立在"修改垂直于流向的速度场"之上；当入口对流速度与脉动速度同量级时还可能出现局部回流，因此入口湍流强度Tu在1%左右或更低时应慎用；
涡会铺满整个入口边界
即使某些区域（如自由流）湍流很低。出于效率考虑，建议把入口面拆分，只在希望产生非定常湍流的区域启用涡方法：例如薄混合层从一个很大的入口进入时，把入口拆成三块，混合层上、下方用常速度入口，中间区域用涡方法，让涡点集中在感兴趣的区域；
入口只保真湍动能剖面。
由于脉动在各速度分量间近似均分，入口处只能满足规定的k剖面，正确的分量分布在下游一段距离后自行恢复；若已知入口的雷诺应力分量（把Reynolds-Stress Specification Method设为Reynolds-Stress Components），可用重标定技术让入口同时满足各分量。
5. Spectral Synthesizer：按能谱"配方"合成
5. Spectral Synthesizer：按能谱"配方"合成
谱合成器绕开涡，直接把脉动场合成出来。它基于Kraichnan在1970年提出、Smirnov等人在2001年改进的随机流生成技术（RFG）：把脉动速度表示为一组Fourier谐波的叠加，每个谐波的振幅按规定的能谱配比，并约束合成速度场散度自由（不人为制造质量源）。Fluent默认使用250个Fourier谐波。
相比涡方法，谱合成器还能合成各向异性、非均匀的湍流：给它一组稳态RANS解（k-ε、k-ω或RSM的剖面），它就能按当地湍流状态合成脉动，因此也适合RANS/LES分区混合计算。
它设置最简单、即开即用，适合作为入口脉动的"默认选择"。
再说个相关的实用技巧：即使入口不勾任何脉动算法，也可以先用稳态RANS解配合谱合成器初始化流场，让LES从一张带真实脉动的"初场"起算。初始场不影响统计定态的解，但能明显缩短到达统计定态的时间。
TUI命令： /solve/initialize/init-instantaneous-vel
6. Synthetic Turbulence Generator：更精细的时空模态合成
6. Synthetic Turbulence Generator：更精细的时空模态合成
综合湍流生成器（STG）与谱合成器同属合成路线，但更精细。这个方法由Adamian与Travin在2011年提出，初衷是给RANS-LES分区计算的交界面注入高质量脉动。与谱合成器的区别有两点：脉动是时空Fourier模态的叠加（谱合成器只有空间谐波），且权重经过标定，使入口的脉动动能严格等于规定的RANS湍动能。
入口某点的速度向量等于平均速度向量与合成脉动向量之和：
脉动场按式合成：
其中模态数、各模态幅值（由当地能谱确定）、波数向量、方向与相位（均匀分布的随机量）、无量纲频率（均值与标准差均为2的高斯分布）共同决定脉动；全局时间尺度由入口区的最大RANS湍流长度尺度与速度尺度确定。官方给它的评价是：与其它方法相比计算时间代价小、湍流脉动质量高。
STG有两个工程上非常重要的专属功能：
（1）Scale Search Limiters：别让自由流污染边界层。
全局尺度取自整个入口区，麻烦就出在这：如果只有入口面的一小部分在生成合成湍流（比如贴着大片自由流的边界层入口），自由流中任意大的RANS湍流长度尺度会歪曲全局尺度，在边界层内生成不真实的长湍流结构。
解决办法是在Scale Search Limiter里指定限制方式，可选Turbulent Intensity、Turbulent Viscosity Ratio或Wall Distance Threshold，把全局尺度的统计范围限制在入口面上湍流参数高于阈值（或距壁面小于阈值）的部分。
效果对比见图：不设限制（左）时边界层内的湍流结构被拉得过长；设2%湍流强度阈值（右）后结构恢复正常：
（2）Volumetric Forcing：给声学计算降噪。
默认的基于面（face based）的生成方式会在入口面上突然引入脉动，产生虚假的压力脉动，因此不适合气动声学仿真。
体积版本改为在从边界开始的三维强迫区内，通过动量方程的体积源项渐进引入湍流脉动，避免虚假噪声；强迫区厚度可按湍流长度尺度自动确定（Automatic），也可指定具体数值（Specified Value）。这一扩展技术的思路来自François等人在2015年的工作。
注：与涡方法不同，STG的质量守恒默认开启且无法关闭。
注：勾选第2节图中的Volumetric Forcing?，该选项仅对基于omega方程的SBES模型开放
体积强迫还有一个副作用要提防：入口相邻cell zone中位于强迫区厚度内的单元会被全部标记。当这层标记单元跨越流场中其它湍流区时，会在不该强加脉动的位置产生强迫，此时应把大cell zone拆小以限制标记范围。
7. 入口参数设置对比
7. 入口参数设置对比
四个方法放到一起对比：
No Perturbations：零成本，零脉动。只用于入口湍流确实无关紧要的场合。
Vortex Method：成本中等，原理直观，需要入口湍流参数（k、ε）作为输入；脉动质量中等，流向脉动靠模型补，质量守恒要手动勾选；适合一般的风工程、绕流计算。
Spectral Synthesizer：成本中等，设置最省心，散度自由；能吃RANS剖面合成非均匀湍流；适合作为默认选择，也适合RANS/LES分区。
STG：脉动质量最高（时空模态+严格湍动能标定），成本可控；Scale Search Limiter和Volumetric Forcing两个专属功能分别照顾边界层入口和声学计算；对设置细节要求最多。
基本选择建议：
没有特殊需求，从Spectral Synthesizer起步，发现结果对入口脉动敏感再升级到STG； 不管选哪个，入口湍流参数的剖面质量都比算法选择更关键。用前置RANS解生成的剖面，别自已手填一个均匀值完事； 内置四选项之外，学术上还有预前模拟（precursor simulation，先算一段周期性通道流或边界层，把瞬时流场切片喂给主算例）和映射数据入口这类路线，精度上限更高，适合基础研究；Fluent里可以通过映射数据边界或RANS/LES交界面实现，工程计算一般用不到这一层。
