Modelowanie turbulencji odgrywa istotną rolę w obliczeniowej dynamice płynów (CFD) poprzez dążenie do przewidywania zachowania przepływów turbulentnych. Modele te mają kluczowe znaczenie dla tworzenia wydajnych i bezpiecznych aplikacji inżynierskich, takich jak analiza i projektowanie interakcji między wiatrem a konstrukcją. Istnieje kilka podejść do modelowania turbulencji, z których trzy są szeroko stosowane, a są to modele Uśrednionego Naviera-Stokesa (RANS), uśrednione Naviera-Stokesa (URANS) oraz DDES (Delayed Detached Eddy Simulation). Każdy z tych modeli ma inną charakterystykę i specyficzne zastosowania.
RWIND wykorzystuje modele turbulencji URANS i DDES jako odpowiednie modele przejściowej turbulencji w inżynierii konstrukcyjnej. Modele te wybrano ze względu na ich zdolność do równoważenia wydajności i dokładności obliczeń, dzięki czemu można je wykorzystać w wielu różnych zastosowaniach inżynierii konstrukcyjnej. URANS oferuje umiarkowane koszty obliczeń przy jednoczesnym rejestrowaniu zjawisk przejściowych na dużą skalę, podczas gdy DDES łączy w sobie zalety RANS i symulacji dużych wirów (LES), aby zapewnić szczegółową rozdzielczość złożonych konstrukcji turbulentnych. Dzięki integracji tych modeli, projekt RWIND zwiększa swoją zdolność do symulacji interakcji wiatru i konstrukcji, zapewniając jednocześnie wydajność i dokładność analiz.
URANS (uśredniony współczynnik Naviera-Stokesa Reynoldsa)
URANS bazuje na metodzie RANS, uwzględniając zmiany pola przepływu zależne od czasu, co pozwala na uchwycenie niestacjonarnych efektów obciążenia wiatrem. Dzięki temu program URANS może modelować na większą skalę przepływy przejściowe i zachowania oscylacyjne, takie jak powstawanie wirów w narożach budynków. Chociaż URANS oferuje ulepszenia w porównaniu z RANS w wykrywaniu niestateczności, nadal wykorzystuje modele lepkości wirowej, które mogą nie uwzględniać w wystarczającym stopniu drobniejszych konstrukcji turbulentnych.
DDES (opóźniona symulacja wirów w stanie wolnym)
DDES jest metodą hybrydową, łączącą w sobie techniki RANS i Large Eddy Simulation (LES). W regionach z dołączoną warstwą graniczną DDES działa jak model RANS, zapewniając wydajność obliczeniową. W obszarach, w których przepływ zacina się i przeważają większe struktury turbulentne, DDES przełącza się na tryb LES w celu uzyskania dokładniejszej rozdzielczości. Podejście to jest szczególnie efektywne w przypadku złożonych przepływów obejmujących obszary separacji, ponownego przyłączenia i zmiany położenia, na przykład wokół krawędzi i naroży budynków. Metoda DDES zapewnia równowagę między kosztami obliczeń a dokładnością, dzięki czemu jest odpowiednia do symulacji przepływów o dużej liczbie Reynoldsa, ze znacznymi obszarami niestatecznymi i wydzielonymi.
Zalety i wady URANS i DDES
Zalety URANS
- Możliwości zależne od czasu: URANS może rejestrować zjawiska niestacjonarne i cechy przepływu przejściowego, takie jak tworzenie się wirów, czego RANS nie jest w stanie zarejestrować.
- Umiarkowany koszt obliczeń: Chociaż URANS wymaga więcej obliczeń niż RANS, jest nadal stosunkowo wydajny w porównaniu z bardziej złożonymi modelami, takimi jak LES lub DDES.
- Ćwiczenia praktyczne w zastosowaniach inżynierskich: URANS jest odpowiedni dla wielu praktycznych systemów inżynierskich, w których ważne jest uchwycenie niestatecznych zachowań na dużą skalę.
URANS Wady
- Ograniczona dokładność dla złożonych przepływów: URANS może nie przewidzieć dokładnie mniejszych struktur turbulentnych ze względu na zależność od modeli lepkości wirowej.
- Nadal uśrednione w czasie: Chociaż mniej rygorystycznie niż RANS, URANS nadal uśrednia przepływ w czasie, co może wygładzić niektóre ważne szczegóły przejściowe.
- Mniej efektywny w przypadku silnie rozdzielonych przepływów: URANS może mieć problemy z przepływami, które są w znacznym stopniu oddzielone i ponownie przyłączone, ponieważ w tych scenariuszach nie jest tak dopracowana jak metody LES lub hybrydowe.
Zalety DDES
- Podejście hybrydowe: DDES łączy w sobie zalety RANS i LES, umożliwiając wydajną symulację zarówno dołączonych warstw granicznych, jak i odłączonych obszarów turbulentnych.
- Dokładność w złożonych przepływach: Metoda DDES może dokładniej analizować duże struktury turbulentne i złożone zachowania przepływu, takie jak separacja, ponowne przyłączenie i krzywe dynamiczne, zapewniając lepsze prognozy dla przepływów o dużej liczbie Reynoldsa.
- Wydajność obliczeń: Przełączając między trybami RANS i LES, DDES zachowuje równowagę między kosztem obliczeń a dokładnością symulacji, dzięki czemu jest bardziej wydajna niż pełny LES.
Wady DDES
- Koszt obliczeń wyższy niż w przypadku URANS: DDES wymaga większej ilości obliczeń niż URANS ze względu na konieczność przeprowadzania obliczeń LES w niektórych obszarach przepływu.
- Kompleksowa realizacja: Hybrydowy charakter DDES wymaga starannej implementacji i kalibracji, aby zapewnić płynne przejście modelu między regionami RANS i LES.
- Czułość na rozdzielczość siatki: Wydajność DDES w dużym stopniu zależy od jakości i rozdzielczości siatki obliczeniowej, szczególnie w regionach, w których model przełącza się z RANS na LES.
Uwagi końcowe
Podsumowując, URANS jest przydatny do rejestrowania niestatecznych zjawisk na dużą skalę przy umiarkowanych kosztach obliczeniowych, ale może nie być wystarczająco dokładny w przypadku złożonych przepływów turbulentnych. DDES oferuje dokładniejsze odwzorowanie takich przepływów dzięki połączeniu metod RANS i LES, chociaż wiąże się z większymi wymaganiami obliczeniowymi i złożonością.
