直接數值模擬不需要對湍流建立模型，對於流動的控制方程直接採用數值計算求解。由於湍流是多尺度的不規則流動，要獲得所有尺度的流動信息，對於空間和時間解析度需求很高，因而計算量大、耗時多、對於計算機記憶體依賴性強。目前，直接數值模擬只能計算雷諾數較低的簡單湍流運動，例如槽道或圓管湍流，現如今它還難以預測複雜湍流運動。
基本介紹
- 中文名：直接數值模擬
- 外文名：Direct numerical simulation
- 表達式：積分尺度L，L與大部分包含動能的運動有關
- 套用學科：節點數
- 特點：不需要對湍流建立模型
簡介,其他信息,
簡介
直接數值模擬不需要對湍流建立模型，對於流動的控制方程直接採用數值計算求解。由於湍流是多尺度的不規則流動，要獲得所有尺度的流動信息，對於空間和時間解析度需求很高，因而計算量大、耗時多、對於計算機記憶體依賴性強。直接數值模擬只能計算雷諾數較低的簡單湍流運動，例如槽道或圓管湍流，現如今它還難以預測複雜湍流運動。
一個直接數值模擬（DNS）是一個模擬的計算流體力學中的Navier - Stokes方程進行數值求解無任何湍流模型。 這意味著整個範圍的空間和時間尺度湍流時，必須同時解決。 所有的空間尺度湍流必須在計算格線中解決，從最小的耗散尺度（ Kolmogorov microscales），到最大的積分尺度L，L與大部分包含動能的運動有關。 Kolmogorov尺度，η定義為
由其中ν為運動粘度和ε是速度動能耗散。 另一方面，整體規模取決於通常在空間尺度上的邊界條件。
為了滿足這些解的要求，節點數N和格線步長h必須滿足
使整體規模是包含在計算域內，並且
這樣可以得到Kolmogorov尺度。
由於
其他信息
其中Re是湍流雷諾數：
因此，在DNS記憶存儲需求的增長速度非常快與雷諾數。 此外，考慮到非常大的記憶體有必要的，及時的解決方案集成必須由一個明確的方法進行。 這意味著，為了準確，一體化必須做一個時間步長，長Δt，足夠小，使得流體質點只有一步之分數，在每個格線間距小時。 也就是說，
（C是這裡的Courant數）。 模擬的總時間間隔一般是成正比的湍流時間尺度的τ給出
結合這些關係，而事實上的 H必須是η順序，步驟數時間的整合必須是適當的為 L /（丙η）。 由另一方面，從以上的定義為重，ηL給出，它跟隨
因此，時間的步數的增長也作為雷諾數功法。
可以估計，模擬數字需要完成的浮點運算是成正比的格線點數和步驟的時間。操作隨著Re^3增長。
因此，DNS的計算量非常高，即使在低雷諾數。 對於雷諾數套用中遇到的大多數工業，以DNS所需的計算資源的能力將超過對現有的最強大的計算機。 然而，直接數值模擬是一種在湍流理論研究的有用工具。 使用DNS是有可能進行“數值實驗”，並從中提取他們的信息很難或者不可能在實驗室中獲得，允許對湍流物理的了解。 此外，直接數值模擬模型中是非常有用的發展為尺度湍流模型的實際套用，如分格， 大渦模擬（LES）和方法模型，解決了雷諾平均NS方程（雷諾平均）。 這是通過的“先驗”的測試，其中對模型的輸入數據是從DNS模擬，由“事後”的測試，其中由模型產生的結果與DNS的值作比較或手段。 在世界上最大的DNS，截至目前為止，使用網點4096^3個。 這是在日本進行的地球模擬器超級計算機在2002年開始運作。
