A modelagem de turbulência é um aspecto crítico da dinâmica computacional de fluidos (CFD) que busca prever o comportamento de fluxos turbulentos. Modelos de turbulência são essenciais para projetar aplicações de engenharia eficientes e seguras, como a interação vento-estrutura para análise e projeto estrutural. Entre as várias abordagens para modelagem de turbulência, três modelos populares são as Equações de Navier-Stokes médias de Reynolds (RANS), Equações de Navier-Stokes médias de Reynolds não estacionárias (URANS) e Simulação de Vórtices Destacados Atrasada (DDES). Cada modelo possui suas próprias características únicas e aplicações.
RANS (Equações de Navier-Stokes médias de Reynolds)
A abordagem RANS é um dos métodos mais comuns usados na modelagem de turbulência. Ela envolve a média das equações de Navier-Stokes ao longo do tempo, o que efetivamente suaviza as flutuações da turbulência para fornecer uma solução em estado estacionário. Este método simplifica significativamente os requisitos computacionais e é particularmente útil para aplicações onde o fluxo é estacionário ou levemente não estacionário. Modelos RANS são extensivamente usados em aplicações industriais devido à sua robustez e baixo custo computacional. No entanto, eles podem ser menos precisos na previsão de fluxos complexos com separações significativas ou forte instabilidade.
URANS (Equações de Navier-Stokes médias de Reynolds não estacionárias)
URANS estende a abordagem RANS ao permitir mudanças dependentes do tempo no campo de fluxo, tornando-o capaz de capturar fenômenos instáveis. Ainda utiliza a média de Reynolds das equações de Navier-Stokes, mas não faz a média do fluxo no tempo de forma tão estrita quanto RANS. Isso significa que URANS pode modelar características transitórias de fluxo em grande escala e comportamentos oscilatórios, que são típicos em muitos sistemas de engenharia práticos, como o desprendimento de vórtices em cantos de edifícios. Embora URANS melhore em relação a RANS em termos de captura da instabilidade, ele ainda emprega modelos de viscosidade turbulenta que podem não resolver adequadamente estruturas turbulentas mais finas.
DDES (Simulação de Vórtices Destacados Atrasada)
DDES é uma abordagem híbrida que combina metodologias de RANS e Simulação de Grandes Vórtices (LES). Em regiões do fluxo onde a camada limite está aderida, DDES se comporta como um modelo RANS, proporcionando eficiência computacional. Em regiões onde o fluxo se destaca e estruturas turbulentas maiores dominam, DDES se altera para um modo LES, que resolve essas estruturas com mais precisão. Este método é particularmente útil em fluxos complexos envolvendo separação de fluxo, reanexão e regiões de esteira, como bordas e cantos de edifícios. DDES oferece um bom equilíbrio entre custo computacional e precisão, particularmente em simulações de fluxos com alto número de Reynolds, com regiões de forte instabilidade e separação.
Conclusão
Escolher o modelo de turbulência certo depende em grande parte dos requisitos específicos do problema em questão, incluindo as características do fluxo, necessidades de precisão e recursos computacionais disponíveis. Modelos RANS são adequados para fluxos mais simples e estacionários, enquanto URANS proporciona um melhor manuseio de fenômenos instáveis. DDES, embora seja computacionalmente mais exigente do que RANS ou URANS, oferece precisão superior em casos envolvendo fluxos complexos, instáveis e separados. Cada um desses modelos tem contribuído significativamente para os avanços em simulações de dinâmica dos fluidos, apoiando engenheiros e pesquisadores no desenvolvimento de soluções tecnológicas mais eficazes e eficientes.