Modelowanie turbulencji jest kluczowym aspektem obliczeniowej dynamiki płynów (CFD), które dąży do przewidywania zachowania przepływów turbulentnych. Modele turbulencji są niezbędne do projektowania wydajnych i bezpiecznych zastosowań inżynieryjnych, takich jak interakcja wiatru z budowami do celów analizy i projektowania konstrukcji. Wśród różnych podejść do modelowania turbulencji, trzy popularne modele to Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) oraz Delayed Detached Eddy Simulation (DDES). Każdy model ma swoje unikalne cechy i zastosowania.
RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
Podejście RANS jest jednym z najczęściej stosowanych metod w modelowaniu turbulencji. Polega ono na uśrednianiu równań Naviera-Stokesa w czasie, co skutecznie wygładza fluktuacje turbulencji, zapewniając rozwiązanie w stanie ustalonym. Ta metoda znacznie upraszcza wymagania obliczeniowe i jest szczególnie przydatna w aplikacjach, gdzie przepływ jest stabilny lub lekko niestabilny. Modele RANS są szeroko stosowane w aplikacjach przemysłowych ze względu na swoją solidność i niski koszt obliczeniowy. Jednak mogą być mniej dokładne w przewidywaniu złożonych przepływów z istotnymi obszarami separacji lub silną niestabilnością.
URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
URANS rozszerza podejście RANS poprzez uwzględnienie zmienności czasowej w polu przepływu, co umożliwia uchwycenie niestabilnych zjawisk. Nadal wykorzystuje uśrednianie Reynoldsa równań Naviera-Stokesa, ale nie uśrednia przepływu w czasie tak rygorystycznie jak RANS. Oznacza to, że URANS może modelować większe struktury przejściowe przepływu i zachowania oscylacyjne, które są typowe w wielu praktycznych systemach inżynieryjnych, takich jak zrzucanie wirów z narożników budynków. Choć URANS poprawia RANS w zakresie uchwycenia niestabilności, nadal stosuje modele lepkości wirowej, które mogą nie wystarczająco rozwiązać bardziej szczegółowych struktur turbulentnych.
DDES (Delayed Detached Eddy Simulation)
DDES to hybrydowe podejście łączące metodologie RANS i Large Eddy Simulation (LES). W obszarach przepływu, gdzie warstwa przyścienna jest przyczepiona, DDES zachowuje się jak model RANS, zapewniając efektywność obliczeniową. W obszarach, gdzie przepływ oddziela się i dominują większe struktury turbulentne, DDES przełącza się na tryb LES, który dokładniej rozwiązuje te struktury. Ta metoda jest szczególnie przydatna w złożonych przepływach, obejmujących separację przepływu, ponowne przyczepienie oraz obszary zawirowań za przeszkodą, takie jak krawędzie i narożniki budynków. DDES oferuje dobre połączenie pomiędzy kosztem obliczeniowym a dokładnością, zwłaszcza w symulacji przepływów o dużej liczbie Reynoldsa z istotnymi obszarami niestabilności i separacji.
Conclusion
Wybór odpowiedniego modelu turbulencji w dużej mierze zależy od specyficznych wymagań danego problemu, w tym charakterystyki przepływu, potrzeb dokładności oraz dostępnych zasobów obliczeniowych. Modele RANS są odpowiednie do prostszych, ustalonych przepływów, podczas gdy URANS lepiej radzi sobie z niestabilnymi zjawiskami. DDES, choć bardziej wymagający obliczeniowo niż RANS czy URANS, oferuje lepszą dokładność w przypadkach obejmujących złożone, niestabilne przepływy separowane. Każdy z tych modeli znacząco przyczynił się do postępu w symulacjach dynamiki płynów, wspierając inżynierów i badaczy w rozwijaniu bardziej efektywnych i wydajnych rozwiązań technologicznych.