Análise comparativa para modelos de turbulência RANS, URANS, e DDES

A modelação de turbulências é um aspeto crítico da dinâmica de fluidos computacional (CFD) que procura prever o comportamento de fluxos turbulentos. Os modelos de turbulência são essenciais para o dimensionamento de aplicações de engenharia eficientes e seguras, tais como a interação vento-estrutura no âmbito da análise estrutural. Entre as várias abordagens para a modelação de turbulência, três modelos populares são o Reynolds-Averaged Navier-Stoke (RANS), o Reynolds-Averaged-Averaged Navier-Stoke (URANS) e o Delayed Destaced ERF Simulation (DDES). Cada modelo tem as suas próprias funções e aplicações únicas.

Campo de velocidade do vento para o modelo de turbulência RANS, URANS e DDES

RANS (Navier-Stoke)

A abordagem RANS é um dos métodos mais comuns utilizados na modelação de turbulências. Trata-se de uma média das equações de Navier-Stokes ao longo do tempo, o que suaviza eficazmente as flutuações de turbulência para fornecer uma solução estacionário. Este método simplifica os requisitos computacionais de forma significativa e é particularmente útil para aplicações onde o fluxo é estável ou ligeiramente instável. Os modelos RANS são cada vez mais utilizados em aplicações industriais devido à sua robustez e baixo custo computacional. No entanto, podem ser menos precisas na predição de fluxos complexos com separação significativa ou instabilidade forte.

URANS (Navier-Stoke não estacionário com média de Reynolds)

O URANS estende a abordagem RANS ao permitir alterações dependentes do tempo no campo de fluxo, tornando-o capaz de captar fenómenos instáveis. Ainda utiliza a média de Reynolds das equações de Navier-Stoke, mas não faz a média do fluxo no tempo de forma tão estrita como o RANS. Isto significa que o URANS pode modelar em maior escala características de fluxo transitório e comportamentos oscilatórios, que são típicos em muitos sistemas de engenharia práticos, tais como o desprendimento de vórtices de cantos de edifícios. Enquanto o URANS está melhor sobre o RANS em termos de captura de instabilidade, ainda utiliza modelos de viscosidade e turbulência que podem não resolver adequadamente estruturas turbulentas mais finas.

DDES (simulação de turbulência destacada posteriormente)

O DDES é uma abordagem híbrida que combina as metodologias RANS e Simulação de grandes escalas de turbulência (LES). Em zonas do fluxo onde a camada limite está anexada, o DDES comporta-se como um modelo RANS, proporcionando eficiência computacional. Em regiões onde o fluxo se destaca e as estruturas turbulentas maiores dominam, o DDES muda para um modo LES, que resolve essas estruturas com mais precisão. Este método é particularmente útil em fluxos complexos envolvendo zonas de separação de fluxo, religação e estribo, tais como bordas e cantos de edifícios. O DDES oferece um bom equilíbrio entre custo computacional e precisão, particularmente na simulação de fluxos com um número de Reynolds alto com regiões separadas e instáveis.

Conclusão

A escolha do modelo de turbulência correto depende em grande parte dos requisitos específicos do problema em questão, incluindo as características do fluxo, as necessidades de precisão e os recursos computacionais disponíveis. Os modelos RANS são adequados para fluxos estacionários mais simples, enquanto que o URANS providencia um melhor tratamento de fenómenos instáveis. O DDES, apesar de ser mais exigente computacionalmente do que o RANS ou URANS, oferece uma precisão superior em casos que envolveram fluxos separados complexos e instáveis. Cada um destes modelos contribui significativamente para os avanços nas simulações dinâmicas de fluidos, apoiando engenheiros e investigadores no desenvolvimento de soluções tecnológicas mais eficazes e eficientes.