Modelování turbulence je kritickým aspektem výpočetní dynamiky tekutin (CFD), který se snaží předpovídat chování turbulentního proudění. Modely turbulence jsou zásadní pro navrhování efektivních a bezpečných inženýrských aplikací, jako je interakce větrné konstrukce, pro statickou analýzu a návrh. Mezi různými přístupy k modelování turbulence jsou tři oblíbené modely Reynoldsův průměrný Navier-Stokesův model (RANS), nestabilní Reynoldsův průměrný Navier-Stokesův model (URANS) a zpožděná detašovaná simulace vírů (DDES). Každý model má své vlastní jedinečné funkce a použití.
RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
Metoda RANS je jednou z nejběžnějších metod modelování turbulence. Jedná se o průměrování Navier-Stokesových rovnic v čase, které efektivně vyrovnává kolísání turbulence a poskytuje řešení v ustáleném stavu. Tato metoda výrazně zjednodušuje výpočetní požadavky a je vhodná zejména pro aplikace, kde je proudění konstantní nebo mírně nestacionární. Modely RANS nacházejí široké uplatnění v průmyslových aplikacích díky své robustnosti a nízkým nákladům na výpočet. Mohou však být méně přesné při predikci komplexního proudění s výraznou separací nebo silnou nestacionací.
URAN (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
URANS rozšiřuje přístup RANS tím, že umožňuje časově závislé změny v poli proudění, a umožňuje tak zachytit nestacionární jevy. Stále používá Reynoldsovo průměrování Navier-Stokesových rovnic, ale neprůměruje proudění v čase tak striktně jako RANS. To znamená, že URANS může modelovat ve větším měřítku nestacionární proudění a oscilační chování, která jsou typická pro mnoho praktických inženýrských systémů, jako je například uvolňování vírů z rohů budov. Zatímco URANS vylepšuje RANS, pokud jde o zachycení nestability, stále používá modely s vířivou viskozitou, které nemusí adekvátně rozlišovat jemnější turbulentní konstrukce.
DDES (Delayed Detached Eddy Simulation)
DDES je hybridní přístup, který kombinuje metody RANS a LES (Large Eddy Simulation). V oblastech proudění, kde je připojena mezní vrstva, se DDES chová jako RANS model, což zajišťuje efektivitu výpočtu. V oblastech, kde se proudění uvolňuje a převládají větší turbulentní konstrukce, se DDES přepne do režimu LES, který tyto konstrukce řeší přesněji. This method is particularly useful in complex flows involving flow separation, reattachment, and wake regions, such as building edges and corners. DDES nabízí dobrou rovnováhu mezi výpočetními náklady a přesností, zejména při simulaci proudění s vysokým Reynoldsovým číslem se značnými nestacionárními a oddělenými oblastmi.
Závěr
Výběr správného modelu turbulence závisí do značné míry na specifických požadavcích daného problému, včetně charakteristik proudění, potřeb přesnosti a dostupných výpočetních zdrojů. Modely RANS jsou vhodné pro jednodušší ustálené proudění, zatímco URANS poskytuje lepší řešení nestacionárních jevů. DDES, ačkoliv je výpočetně náročnější než RANS nebo URANS, nabízí vynikající přesnost v případech zahrnujících složité, nestacionární oddělené proudění. Každý z těchto modelů významně přispěl k pokroku v oblasti simulací dynamiky tekutin a podpořil tak inženýry a výzkumníky při vývoji efektivnějších a výkonnějších technologických řešení.
Zobrazit více