大/小涡旋模拟：研究高雷诺数湍流的高保真方法

直接数值模拟（DNS）是研究湍流的主要首创性工具之一。然而，由于其巨大的计算成本，DNS 主要局限于中等雷诺数下的规范性流动，在这些情况下，湍流与真实的、大尺度流动动力学相互隔离。相比之下，低保真方法，如大涡旋模拟（LES），被用于建模现实系统。此类方法依赖于闭合模型，这些模型做出了多个假设，包括湍流平衡、小尺度普适性等，这些假设需要对流动具有先验知识且可能被违反。我们提出了一种方法，通过将低保真、不可解析、时变的整个系统计算（LES）与嵌入的小涡旋模拟（SES）耦合在一起，后者在 LES 中感兴趣的子区域内提供高保真、完全解析的解。通过持续将大尺度的 SES 尺度替换为低通滤波后的 LES 速度场来实现该耦合。该方法以物理空间形式表述，不依赖平衡、小尺度结构或边界条件的假设。用于演示该方法准确性的先验测试包括稳态和非稳态的各向同性各向异性湍流，这些测试证明了该方法在恢复湍流特性方面的准确性，包括谱、间歇量的概率密度函数以及次网格耗散。最后，比较了 SES 与两种替代方法：一种通过静态网格细化嵌入高分辨率区域，另一种是对传统体积谱 forcing 的通用化。与这些方法不同，SES 在完全 DNS 计算成本的分数时钟下实现了 DNS 级别的准确性，从而打开了研究高雷诺数流动的可能性。