La modellazione della turbolenza è un aspetto critico della dinamica computazionale dei fluidi (CFD) che cerca di prevedere il comportamento dei flussi turbolenti. I modelli di turbolenza sono essenziali per progettare applicazioni ingegneristiche efficienti e sicure, come l'interazione vento-struttura per l'analisi e la progettazione strutturale. Tra i vari approcci alla modellazione della turbolenza, tre modelli popolari sono i modelli di Navier-Stokes mediati di Reynolds (RANS), i modelli di Navier-Stokes mediati di Reynolds non stazionari (URANS) e la simulazione di vortice distaccato ritardato (DDES). Ogni modello ha le proprie caratteristiche uniche e applicazioni.
RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
L'approccio RANS è uno dei metodi più comuni utilizzati nella modellazione della turbolenza. Consiste nel mediare le equazioni di Navier-Stokes nel tempo, il che effettivamente leviga le fluttuazioni della turbolenza per fornire una soluzione stazionaria. Questo metodo semplifica significativamente i requisiti computazionali ed è particolarmente utile per applicazioni in cui il flusso è stazionario o leggermente instabile. I modelli RANS sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni industriali per la loro robustezza e basso costo computazionale. Tuttavia, possono essere meno accurati nel prevedere flussi complessi con separazioni significative o forte instabilità.
URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
URANS estende l'approccio RANS permettendo cambiamenti dipendenti dal tempo nel campo di flusso, rendendolo capace di catturare fenomeni instabili. Si avvale ancora della media di Reynolds delle equazioni di Navier-Stokes, ma non media il flusso nel tempo in modo così rigoroso come RANS. Ciò significa che URANS può modellare caratteristiche di flusso transitorio su larga scala e comportamenti oscillatori, che sono tipici in molti sistemi ingegneristici pratici, come il distacco dei vortici dagli angoli degli edifici. Mentre URANS migliora rispetto a RANS in termini di cattura dell'instabilità, utilizza ancora modelli di viscosità turbolenta che potrebbero non risolvere adeguatamente strutture turbolente più fini.
DDES (Delayed Detached Eddy Simulation)
DDES è un approccio ibrido che combina metodologie RANS e Large Eddy Simulation (LES). In regioni di flusso dove lo strato limite è attaccato, DDES si comporta come un modello RANS, offrendo efficienza computazionale. Nelle regioni dove il flusso si stacca e strutture turbolente più grandi dominano, DDES passa a una modalità LES, che risolve queste strutture in modo più accurato. Questo metodo è particolarmente utile nei flussi complessi che coinvolgono separazione del flusso, riattacco e regioni di scia, come bordi e angoli degli edifici. DDES offre un buon equilibrio tra costo computazionale e precisione, particolarmente nella simulazione di flussi ad alto numero di Reynolds con regioni significativamente instabili e separate.
Conclusione
La scelta del giusto modello di turbolenza dipende in gran parte dai requisiti specifici del problema da affrontare, comprese le caratteristiche del flusso, le esigenze di precisione e le risorse computazionali disponibili. I modelli RANS sono adatti per flussi più semplici e stazionari, mentre URANS offre una gestione migliore dei fenomeni instabili. DDES, sebbene computazionalmente più impegnativo di RANS o URANS, offre una precisione superiore nei casi che coinvolgono flussi separati complessi e instabili. Ognuno di questi modelli ha contribuito significativamente agli avanzamenti nelle simulazioni di dinamica dei fluidi, supportando ingegneri e ricercatori nello sviluppo di soluzioni tecnologiche più efficaci ed efficienti.