Modelování turbulence je klíčovým aspektem výpočetní dynamiky tekutin (CFD), která se snaží předpovědět chování turbulentních proudů. Modely turbulence jsou nezbytné pro navrhování účinných a bezpečných inženýrských aplikací, jako je interakce větru a konstrukce, za účelem analýzy konstrukce a návrhu. Mezi různými použitými přístupy k modelování turbulence jsou tři populární modely: Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) a Delayed Detached Eddy Simulace (DDES). Každý model má své vlastní jedinečné funkce a aplikace.
RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
Použití RANS je jednou z nejběžnějších metod používaných při modelování turbulence. Zahrnuje průměrování Navier-Stokesových rovnic v čase, což účinně vyhlazuje fluktuace turbulence a poskytuje řešení v ustáleném stavu. Tato metoda výrazně zjednodušuje výpočetní požadavky a je zvláště užitečná pro aplikace, kde je proudění ustálené nebo mírně nestabilní. Modely RANS jsou díky své robustnosti a nízkým počítačovým nákladům hojně využívány v průmyslových aplikacích. Mohou však být méně přesné při předpovídání složitých proudění s výrazným oddělením nebo silnou nestabilitou.
URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
URANS rozšiřuje použití RANS tím, že umožňuje časově závislé změny v proudovém poli, díky čemuž je schopen zachytit nestabilní jevy. Stále využívá Reynoldsovo průměrování Navier-Stokesových rovnic, ale neprovádí průměrování proudění v čase tak striktně jako RANS. To znamená, že URANS může modelovat větší přechodné proudové funkce a oscilační chování, která jsou typická pro mnoho praktických inženýrských systémů, jako je například odtrhávání vírů z rohů budov. Ačkoli URANS vylepšuje RANS z hlediska zachycení nestability, stále používá modely vířivé viskozity, které nemusí adekvátně řešit jemnější turbulentní struktury.
DDES (Delayed Detached Eddy Simulation)
DDES je hybridní použití, které kombinuje metodiky RANS a Large Eddy Simulation (LES). V oblastech proudění, kde je přilnavá mezní vrstva, se DDES chová jako model RANS a poskytuje výpočetní účinnost. V oblastech, kde se proudění odlučuje a dominují větší turbulentní struktury, DDES přepne do režimu LES, který tyto struktury řeší přesněji. Tato metoda je zvláště užitečná v komplexních proudech zahrnujících oddělení proudu, opětovné připojení a oblasti v závětří, jako jsou okraje a rohy budov. DDES nabízí dobrou rovnováhu mezi výpočetními náklady a přesností, zejména při simulaci proudů s vysokým Reynoldsovým číslem s významnými nestabilními a oddělenými oblastmi.
Závěr
Výběr správného modelu turbulence závisí do značné míry na konkrétních požadavcích daného problému, včetně charakteristik proudění, požadavků na přesnost a dostupných počítačových zdrojů. Modely RANS jsou vhodné pro jednodušší, ustálené proudění, zatímco URANS poskytuje lepší zpracování nestabilních jevů. DDES, ačkoli je výpočetně náročnější než RANS nebo URANS, nabízí vynikající přesnost v případech zahrnujících komplexní, nestabilní oddělené proudění. Každý z těchto modelů významně přispěl k pokroku v simulacích dynamiky tekutin a podporuje inženýry a výzkumníky při vývoji efektivnějších a účinnějších technologických řešení.