基于积鼎Virtualflow的超大涡模拟：燃料管束内的流动传热-积鼎CFD： VirtualFlow 通用流体力学软件-流体动力学分析-软服之家

如果可以用几个词来概括湍流的本质，那一定包括：「三维」，「非定常」，「多尺度」。

湍流的本质导致了直接模拟湍流的计算代价非常大，为了能在有限的计算机资源下模拟湍流，前辈大牛们提出了几种方法，包括了大涡模拟（LES）和雷诺平均（RANS）。

大涡模拟（LES）

大涡模拟（LES）基本思想是对NS方程进行某种过滤，大涡结构受流场影响较大，小涡则可视为各向同性，因此通过滤波处理将小涡从流畅过滤，只计算大涡，而小涡则使用统一的次网格尺度模型进行模拟，过滤尺度一般为网格尺度。

雷诺平均（RANS）

雷诺平均（RANS）基本思想是对NS方程进行（时间）平均，将非定常的湍流问题转化为一个定常的问题研究。
对于模拟计算湍流，擅长多相流分析的通用流体仿真软件VirtualFlow提供基于雷诺时均（RANS）的湍流模型以及大涡模拟（LES），还提供了超大涡模拟（Very-large Eddy Simulation, V-LES）。这些模型均可以与多相流模型耦合。

超大涡模拟（V-LES）

超大涡模拟（V-LES）由Speziale（1998年）提出，并由Ruprechtet al. (2003年)与Johansen et.al.(2004年)进行了改进。超大涡模拟（V-LES）结合了非定常U-RANS与LES的优点，可以精确求解大于网格大小尺度以上所有湍流尺度的运动，并使用基于U-RANS中k-e方程的两个方程模拟小涡的运动。
超大涡模拟（V-LES）与大涡模拟（LES）的区别在于超大涡模拟（V-LES）的过滤尺度不再是网格尺度，而是介于网格尺度和宏观尺度（如管道直径）之间的一个值。当网格尺度大于过滤尺度时，超大涡模拟（V-LES）与雷诺时均（RANS）模型近似；当网格尺度接近过滤尺度时，超大涡模拟（V-LES）近似大涡模拟（LES）。因此，可以认为 V-LES是U-RANS与LES之间的过渡。

湍流模型(RANS, LES, V-LES)

RANS：雷诺时均
LES：可捕捉大于网格尺度的涡结构；Re~1 X 104 – Re~ 1 X 105
V-LES：可捕捉大于某特征尺度（如管径）的涡结构；Re > 1 X 105

因此，超大涡模拟（V-LES）在效率与精确性的平衡上优于U-RANS与LES，可以广泛应用于工业问题中的高Re数流动。

V-LES 模型 + IST 网格

燃料组件子通道中的流动与沸腾换热
# 应用案例 #

Experiment of Sadatomi et al. IJMF 2004
燃料棒子通道的研究涉及到管束之间子通道的两相流水力平衡。根据实验搭建的几何机构建模，并采用IST技术进行网格划分，如图1所示。

实验装置的尺寸：

燃料棒直径：d = 16mm

燃料棒间距：p = 20 mm

间距与直径之比：p / d = 1.25

间隙：S11 = S12 =S22 = 4mm

水力直径：Dh = 14.3 mm

流通面积：A = 194 mm2

采用IST网格技术，可免去为每个管画BFC网格的麻烦。CAD文件中的管曲面嵌入到笛卡尔均匀网格中，大大减少了网格倾斜引起的误差。计算域长度减少到 L=120mm，管的长度减少到Lt=20mm。计算域的宽度设置为W=30 mm，由65x65x130个网格单元组成。

（注：该模拟仅是测试ITM方法对捕捉传热两相流复杂界面变化的能力）

在预测BWR燃料棒束中冷却剂的传热流动特性时，必须准确评估子通道之间的流动传质。两相系统中的传质包括三个独立部分：空泡漂移（voiddrift）、交错流动（diversion cross-flow）和湍流混合（turbulent mixing）。该算例中包含了流体流动和传热的多尺度模拟，未考虑相变过程。

在此问题中，湍流对相界面的影响十分明显，采用VirtualFlow软件中V-LES模型进行计算。V-LES方法计算精度比RANS方法高，且计算时间比LES方法少，尤其适用于工业级计算模拟应用。

计算基于完全耦合（固相-气相-液相）的传热方程，可以得到每根燃料组件之间的共轭传热分布。图2及图3展示的是在湍流情况下（进口速度UL=1 m/s，入流气泡分数为50%）通道中气液界面上的温度分布，图2为横截图，图3为侧视图。