Modelování turbulence hraje důležitou roli ve výpočetní dynamice tekutin (CFD), protože se snaží předpovídat chování turbulentního proudění. Tyto modely jsou klíčové pro vytváření efektivních a bezpečných inženýrských aplikací, jako je analýza a návrh interakcí větrné konstrukce. Existuje několik přístupů k modelování turbulence, přičemž tři široce používané modely jsou Reynoldsův průměrný Navier-Stokesův model (RANS), nestabilní Reynoldsův průměrný Navier-Stokesův model (URANS) a zpožděná detašovaná simulace vírů (DDES). Každý z těchto modelů má odlišné charakteristiky a specifické použití.
RWIND používá modely turbulence URANS a DDES jako použitelné modely nestacionární turbulence v oblasti statiky. Tyto modely byly vybrány pro svou schopnost vyvážit výpočetní efektivitu a přesnost, což je činí použitelnými pro širokou škálu statických aplikací. URANS nabízí mírné výpočetní náklady pro zachycení přechodných jevů ve velkém měřítku, zatímco DDES kombinuje silné stránky RANS a simulace velkých vířivých proudů (LES) pro detailní rozlišení složitých turbulentních konstrukcí. Integrací těchto modelů rozšiřuje RWIND svou schopnost simulovat chování větrné konstrukce a zajišťuje tak efektivitu a přesnost při analýze.
URAN (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
URANS staví na metodě RANS tím, že zohledňuje časově závislé změny v poli proudění, a umožňuje tak zachytit nestacionární účinky zatížení větrem. To umožňuje programu URANS modelovat ve větším měřítku nestacionární proudění a oscilační chování, jako je uvolňování vírů z rohů budov. Ačkoli URANS nabízí oproti RANS zlepšení v oblasti zachycení nestability, stále používá vířivé-viskozní modely, které nemusí adekvátně rozlišovat jemnější turbulentní konstrukce.
DDES (Delayed Detached Eddy Simulation)
DDES je hybridní metoda, která integruje metody RANS a LES (Large Eddy Simulation). V oblastech s připojenou mezní vrstvou funguje DDES jako RANS model, což zajišťuje efektivitu výpočtu. V oblastech, kde dochází k uvolnění proudění a převládají větší turbulentní struktury, se DDES přepne do režimu LES pro přesnější rozlišení. Tento přístup je zvláště účinný u složitých proudění zahrnujících oddělení, opětovné připojení a vlnité oblasti, například okolo okrajů a rohů budov. DDES představuje dobrou rovnováhu mezi náklady na výpočet a přesností, a je tak vhodný pro simulaci proudění s vysokým Reynoldsovým číslem se značnými nestacionárními a oddělenými oblastmi.
Výhody a nevýhody URANS a DDES
Výhody URANS
- Časově závislé schopnosti: URANS dokáže zachytit nestacionární jevy a nestacionární proudění, jako je odtrhávání vírů, což RANS nedokáže.
- Mírné výpočetní náklady: Zatímco výpočetně náročnější než RANS, URANS je stále relativně efektivní ve srovnání se složitějšími modely jako LES nebo DDES.
- Inženýrská praxe: URANS je vhodný pro mnoho praktických inženýrských systémů, kde je důležité zachytit nestabilní chování ve velkém měřítku.
Nevýhody URANS
- Omezená přesnost pro složité proudění: URAN nemusí přesně předpovídat jemnější turbulentní konstrukce, protože se spoléhá na modely s vířivou viskozitou.
- Stále zprůměrované v čase: I když je to méně striktní než RANS, URANS stále průměruje proudění v čase, což může vyhladit některé důležité přechodné detaily.
- Méně efektivní pro silně oddělené proudění: URANS může mít problémy s prouděním, které se výrazně odděluje a znovu připojuje, protože v těchto scénářích není tak rafinované jako LES nebo hybridní metody.
Výhody DDES
- Hybridní přístup: DDES kombinuje silné stránky RANS a LES, což umožňuje efektivní simulaci připojených hraničních vrstev i oddělených turbulentních oblastí.
- Přesnost v komplexním proudění: DDES může přesněji řešit velké turbulentní konstrukce a složité chování proudění, jako je separace, opětovné připojení a boulení, a poskytuje tak lepší predikci pro vysoké proudění podle Reynoldsova čísla.
- Výpočetní účinnost: Přepínáním mezi režimy RANS a LES udržuje DDES rovnováhu mezi náklady na výpočet a přesností simulace, což je efektivnější než úplné LES.
Nevýhody DDES
- Vyšší výpočetní náklady než URANS: DDES je výpočetně náročnější než URANS, protože v určitých oblastech proudění je třeba počítat s LES.
- Komplexní realizace: Hybridní povaha DDES vyžaduje pečlivou implementaci a kalibraci, aby byl zajištěn hladký přechod modelu mezi oblastmi RANS a LES.
- Citlivost na rozlišení rastru: Výkonnost DDES je velmi závislá na kvalitě a rozlišení výpočetní sítě, zejména v oblastech, kde model přechází z RANS na LES.
Závěr a výhled
Stručně řečeno, URAN je výhodný pro zachycení nestacionárních jevů ve velkém měřítku s mírnými výpočetními náklady, ale může být nedostatečný v přesnosti pro složité turbulentní proudění. DDES nabízí přesnější znázornění takových toků kombinací metod RANS a LES, ovšem s vyššími výpočetními nároky a složitostí.
