Antwort:
Die Modellierung von Turbulenzen ist ein kritischer Aspekt der Numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics - CFD), mit der das Verhalten turbulenter Strömungen vorhergesagt werden soll. Turbulenzmodelle sind unabdingbar für die effiziente und sichere Bemessung von Ingenieuranwendungen, wie z. B. der Wind-Tragwerk-Interaktion für die statische Berechnung und Bemessung. Unter den verschiedenen Ansätzen zur Modellierung von Turbulenzen sind drei beliebte Modelle Reynolds-Averated Navier-Stokes (RANS), Unstationäre Reynolds-Averated Navier-Stokes (URANS) und Determined Detached Eddy Simulation (DDES). Jedes Modell hat seine eigenen einzigartigen Merkmale und Anwendungen.
RANS (Reynolds-Averated Navier-Stokes)
Der RANS-Ansatz ist eine der am häufigsten verwendeten Methoden in der Turbulenzmodellierung. Dabei werden die Navier-Stokes-Gleichungen über die Zeit gemittelt, wodurch die Turbulenzschwankungen effektiv geglättet werden, um eine stationäre Antwort zu erhalten. Diese Methode vereinfacht die Rechenanforderungen erheblich und eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen die Strömung stationär oder leicht instationär ist. RANS-Modelle werden aufgrund ihrer Robustheit und geringen Rechenkosten häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt. Sie können jedoch bei der Vorhersage von komplexen Strömungen mit erheblichen Ablösungen oder starker Instabilität weniger genau sein.
URANS (Instationäres Reynolds-Gemitteltes Navier-Stokes)
URANS erweitert den RANS-Ansatz um zeitabhängige Änderungen im Strömungsfeld und eignet sich somit zur Erfassung instationärer Phänomene. Es verwendet weiterhin die Reynolds-Mittelung der Navier-Stokes-Gleichungen, mittelt den Fluss jedoch nicht so streng wie bei RANS. Dies bedeutet, dass URANS in größerem Maßstab transiente Strömungseigenschaften und schwingungsartiges Verhalten modellieren kann, was typisch für viele praktische Ingenieursysteme ist, wie z. B. wirbelerregte Schwingungen von Gebäudeecken. Obwohl URANS RANS in Bezug auf die Erfassung von Unstetigkeiten verbessert, verwendet es immer noch Wirbel-Viskositäts-Modelle, welche feinere turbulente Strukturen möglicherweise nicht ausreichend auflösen.
DDES (Delayed Detached Eddy Simulation)
DDES ist ein hybrider Ansatz, der RANS- und LES-Methoden (Large Eddy Simulation) kombiniert. In Bereichen der Strömung, in denen eine Grenzschicht anschließt, verhält sich DDES wie ein RANS-Modell, was eine Berechnungseffizienz bietet. In Bereichen, wo sich die Strömung ablöst und größere turbulente Strukturen dominieren, wechselt DDES in einen LES-Modus, welcher diese Strukturen genauer auflöst. Besonders hilfreich ist diese Methode in komplexen Strömungen mit Strömungsablösungen, Wiederanströmungen und Nachlaufströmungen wie z. B. an Gebäudeecken. DDES bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Rechenaufwand und Genauigkeit, insbesondere bei der Simulation von Strömungen mit hoher Reynoldszahl mit erheblichen instationären und getrennten Bereichen.
Fazit
Die Wahl des richtigen Turbulenzmodells hängt weitgehend von den spezifischen Anforderungen des vorliegenden Problems ab, einschließlich der Strömungseigenschaften, Genauigkeitsanforderungen und verfügbaren Rechenressourcen. RANS-Modelle eignen sich für einfachere, stationäre Strömungen, während URANS einen besseren Umgang mit instationären Phänomenen bietet. Obwohl DDES rechnerisch anspruchsvoller als RANS oder URANS, bietet es eine bessere Genauigkeit bei komplexen, instationär getrennten Strömungen. Jedes dieser Modelle hat wesentlich zum Fortschritt in der Strömungssimulation beigetragen und unterstützt Ingenieure und Forscher bei der Entwicklung effektiverer und effizienterer technologischer Lösungen.