📝 介绍
WALE模型，全称为墙适应局部涡粘模型，是在大涡模拟（LES）框架内用于瞬态CFD的亚网格涡流模型。不同于稳态的RANS方法，这些方法平均了湍流效应，LES直接解析大的、携能涡流，仅建模较小尺度，从而可以更详细和真实地表示非稳态流动结构。WALE模型开发的目的是为了克服经典Smagorinsky型LES模型的局限性，尤其是在近壁区域。该模型使用流动的应变率和旋转率计算涡粘性。通过考虑旋转效应，该模型自然地使固体壁面附近的涡粘性降至零，无需额外的阻尼函数。这防止了湍流在表面附近的过度阻尼，并允许更准确地预测层流到湍流的过渡以及能量耗散。
在风工程应用中，这使得WALE（LES）在捕捉漩涡脱落（图像1）、尾流动力学及其他在高大结构或复杂流场后面的非稳态现象方面尤其强大。特别适用于研究涡激振动、气弹性不稳定性和行人风环境舒适度，其中瞬态流动波动具有决定性作用。相比于k-ω SST等稳态RANS模型，后者提供更平滑和平均的流场，WALE LES方法提供了湍流结构及其时间演变的丰富视图。然而，这种准确性以更高的计算需求为代价，因为WALE需要更精细的网格，特别是在墙附近，以及更小的时间步长以保持数学稳定性和物理可靠性。
2. LES与RANS: 简要概述
- RANS（稳态）: 解决平均的Navier-Stokes方程；湍流效应完全建模。提供平滑的场但缺乏瞬态细节。
- LES（瞬态）: 直接解析大的、携能的涡流；仅建模亚网格尺度。提供详细的湍流结构但需要更高的计算资源。
在LES中，选择一个亚网格尺度（SGS）模型至关重要。Smagorinsky模型尽管是一个经典选择，但在近墙地区由于过度涡粘性而存在局限性。WALE模型解决了这些弱点。
3. WALE模型: 基本原理
WALE代表墙适应局部涡粘性。它是专门为克服Smagorinsky型模型在近墙地区的缺陷而开发的。
- 涡粘性定义:
不同于仅依赖应变率张量的Smagorinsky，WALE同时使用应变率和旋转率张量。
- 近壁行为:
涡粘性会自动在固体墙壁处消退为零，无需阻尼函数。
✅优势:
- 更准确的层流到湍流过渡预测。
- 更好的能量耗散特性。
- 增强的稳定性和墙面湍流的真实性。
从数学上看，WALE模型基于速度梯度张量的平方计算亚网格尺度粘性，确保适当的墙面缩放。
4. 计算要求
WALE-LES的改善准确性带来了计算挑战：
- 网格分辨率: 需要精细的近墙网格来捕捉过渡和湍流结构。
- 时间步进: 需要小的时间增量以维持数值稳定性。
- 资源需求: 通常比稳态RANS模拟贵约10–50倍。
尽管有这些需求，WALE通过比动态SGS模型更少的资源消耗，同时仍提供出色的近墙性能，实现了一种平衡。
5. 在风工程中的应用
WALE（LES）在模拟对于土木和结构工程至关重要的非稳态气动现象方面提供显著优势：
- 涡流脱落: 捕捉高大烟囱、塔楼和桥墩背后的交替涡流模式。
- 尾流动力学: 预测高层建筑周围的流动分离、再附和尾流蛇行。
- 涡激振动（VIV）: 研究由周期性涡脱引起的结构振动。
- 气弹性不稳定性: 评估细长结构中的颤抖、振翅和冲击风险。
- 行人风舒适度: 解决都市区域地面上阵风和瞬态流动加速度。
📌注意: 考虑气弹性不稳定性和涡激振动（VIV）代表着在RWIND中的一个重要的未来发展计划, 进一步拓展其在动态风结构相互作用研究中的潜力。
相比于稳态RANS模型，WALE-LES提供了时间依赖的流场，使得对负载震荡的详细分析成为可能，而不仅仅是平均值。尤其是在将从CFD派生的压力整合到有限元方法（FEM）框架如RFEM中时，动态负载历程可以直接应用。
6. 结构风工程中湍流模型的比较
表1呈现了在结构风工程中常用湍流模型的比较表，重点关注在四个维度上的特性：类型、近墙表现、准确性和计算成本。对比如k-ε RANS和k-ω SST RANS等稳态模型，后者计算成本较低但在解非稳态涡流方面有限，与更高级的瞬态模型如URANS、DDES、Smagorinsky LES和WALE LES，后者渐进捕捉更多湍流细节和涡流动态，但以更高的计算成本为代价。该表强调了每个模型如何在实用工程可用性、预测准确性和成本之间平衡，为根据项目需求选择最合适的方案提供指导。
表1: 湍流模型比较: 在结构风工程中平衡准确性和成本
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| 模型 | 类型 | 近墙表现 | 准确性 | 计算成本 |
| k-ε RANS | 稳态 | 弱；分离和再循环预测差 | 非常有限（仅时间平均） | 低 |
| k-ω SST RANS | 稳态 | 改进的边界层预测；比k-ε更好的近墙处理 | 有限（不能解析不稳态涡流） | 低–中 |
| URANS | 瞬态（时间平均） | 捕捉一些不稳态效应，但涡流被过滤；细节不如LES | 中等；解析主要频率但不是完整的湍流谱 | 中 |
| DDES | 混合（RANS + LES） | 墙附近RANS，分离/尾流区域LES；平衡两者 | 高；适合大规模分离流和实用工程 | 中–高 |
| Smagorinsky (LES) | 瞬态 | 近墙处涡粘性高估→过度阻尼 | 中等；解析大尺度但近墙建模不准确 | 高 |
| WALE (LES) | 瞬态 | 正确的墙面缩放；涡粘性在墙面附近消失，无需阻尼函数 | 高；准确捕捉涡脱、尾流和过渡 | 高 |
7. 结论
LES中的WALE湍流模型为结构工程师提供了一个强大的CFD工具，以前所未有的细节研究非稳态风结构相互作用。其捕捉涡流脱落、尾流动力学、气弹性不稳定性和行人风舒适度的能力在性能导向的风设计中无价。尽管在计算上比RANS更具挑战性，WALE LES提供了通过代码方法或稳态模拟无法获得的洞察。通过将从WALE推导的时间历程压力整合到FEM工具中，工程师可以实现更真实和可靠的结构设计，确保在风行动下的安全性和适用性。
