Odpowiedź:
Modelowanie turbulencji to krytyczny aspekt obliczeniowej dynamiki płynów (CFD), który ma na celu przewidywanie zachowania przepływów turbulentnych. Modele turbulencji są niezbędne do projektowania efektywnych i bezpiecznych zastosowań inżynierskich, takich jak interakcja wiatru i konstrukcji w celu analizy statyczno-wytrzymałościowej i wymiarowania. Wśród różnych podejść do modelowania turbulencji, trzy popularne modele to uśredniony Navier-Stokes (RANS), uśredniony Navier-Stokesa (URANS) oraz model DDES (Delayed Detached Eddy Simulation). Każdy model ma swoje unikalne funkcje i zastosowania.
RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
Podejście RANS jest jedną z najczęściej stosowanych metod modelowania turbulencji. Polega ona na uśrednianiu w czasie równań Naviera-Stokesa, co skutecznie wygładza fluktuacje turbulencji i zapewnia rozwiązanie w stanie ustalonym. Metoda ta znacznie upraszcza obliczenia i jest szczególnie przydatna w aplikacjach, w których przepływ jest stały lub umiarkowanie niestabilny. Modele RANS są szeroko stosowane w aplikacjach przemysłowych ze względu na ich wytrzymałość i niski koszt obliczeń. Mogą one być jednak mniej dokładne w przewidywaniu złożonych przepływów ze znaczną separacją lub silną niestatecznością.
URANS (Niestateczny uśredniony Navier-Stokes - Reynolds)
URANS rozszerza podejście RANS o zmiany pola przepływu zależne od czasu, co umożliwia uchwycenie zjawisk niestatecznych. Nadal wykorzystuje uśrednianie Reynoldsa z równań Naviera-Stokesa, ale nie uśrednia przepływu w czasie tak ściśle, jak RANS. Oznacza to, że URANS może modelować przepływy przejściowe i zachowania oscylacyjne na większą skalę, które są typowe w wielu praktycznych rozwiązaniach inżynierskich, takich jak tworzenie się wirów w narożach budynku. Chociaż URANS jest ulepszony w stosunku do RANS pod względem wychwytywania 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 hybrydowym podejściem łączącym metodologię RANS i LES (Large Eddy Simulation). W obszarach przepływu, w których zamocowana jest warstwa graniczna, DDES zachowuje się jak model RANS, zapewniając wydajność obliczeniową. W regionach, w których przepływ rozdziela się i gdzie dominują większe struktury turbulentne, DDES przełącza na tryb LES, który umożliwia dokładniejsze odwzorowanie tych struktur. Metoda ta jest szczególnie przydatna w przypadku złożonych przepływów obejmujących separację przepływu, ponowne połączenie i obszary wzbudzenia, takie jak krawędzie i naroża budynków. Metoda DDES zapewnia dobrą równowagę między kosztami obliczeń a dokładnością, szczególnie w symulowaniu przepływów o dużej liczbie Reynoldsa ze znacznymi obszarami niestatecznymi i oddzielonymi od siebie.
Uwagi końcowe
Wybór odpowiedniego modelu turbulencji zależy w dużej mierze od konkretnych wymagań problemu, w tym od charakterystyki przepływu, wymaganej dokładności i dostępnych zasobów obliczeniowych. Modele RANS są odpowiednie dla prostszych, stałych przepływów, podczas gdy URANS zapewnia lepszą obsługę zjawisk niestatecznych. DDES, chociaż bardziej wymagająca obliczeniowo niż RANS lub URANS, oferuje wyższą dokładność w przypadkach dotyczących złożonych, nieustalonych, oddzielnych przepływów. Każdy z tych modeli znacząco przyczynił się do postępu w symulacjach dynamiki płynów, pomagając inżynierom i naukowcom w opracowywaniu bardziej efektywnych i wydajnych rozwiązań technologicznych.