A modelação de turbulência é um aspeto crítico da dinâmica computacional de fluidos (CFD) que procura prever o comportamento de fluxos turbulentos. Os modelos de turbulência são essenciais para dimensionar aplicações de engenharia eficientes e seguras, como a interação entre vento e estrutura para o dimensionamento e a análise estrutural. Entre as várias abordagens para a modelação de turbulência, existem três modelos que são particularmente populares: o Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), o Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) e o Delayed Detached Eddy Simulation (DDES). Cada modelo tem as suas características e aplicações exclusivas.
RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
A abordagem RANS é um dos métodos mais comuns utilizados na modelação da turbulência. Esta 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 estável. Este método simplifica significativamente os requisitos computacionais e é particularmente útil para aplicações onde o fluxo é estável ou ligeiramente instável. Os modelos RANS são extensivamente utilizados em aplicações industriais devido à sua robustez e baixo custo computacional. No entanto, podem ser menos precisos na previsão de fluxos complexos com separações significativas ou forte instabilidade.
URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
O URANS aumenta a abordagem RANS ao permitir mudanças dependentes do tempo no campo de fluxo para conseguir captar fenómenos de turbulência. Ainda utiliza a média de Reynolds das equações de Navier-Stokes, mas não faz a média do fluxo no tempo de forma tão restrita como o RANS. Isso significa que o 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 o URANS melhore em relação ao RANS no que diz respeito à captação da turbulência, ainda emprega modelos de viscosidade turbulenta que podem não resolver adequadamente estruturas turbulentas mais finas.
DDES (Delayed Detached Eddy Simulation)
O DDES é uma abordagem híbrida que combina as metodologias RANS e Large Eddy Simulation (LES). Em regiões do fluxo onde a camada limite está ligada, o DDES comporta-se como um modelo RANS, proporcionando eficiência computacional. Em regiões onde o fluxo se separa e 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 que envolvem separação de fluxo, reanexação e regiões de esteira, como bordas e cantos de edifícios. O DDES oferece um bom equilíbrio entre custo computacional e precisão, particularmente na simulação de fluxos de alto número de Reynolds com regiões significativamente instáveis e separadas.
Conclusão
A escolha do modelo de turbulência adequado 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 mais simples e estáveis, enquanto o URANS oferece melhor tratamento de fenómenos instáveis. O DDES, embora seja computacionalmente mais exigente do que o RANS ou o URANS, oferece precisão superior em casos que envolvem fluxos separados complexos e instáveis. Cada um desses modelos contribuiu significativamente para os avanços nas simulações de dinâmica de fluidos, apoiando engenheiros e investigadores no desenvolvimento de soluções tecnológicas mais eficazes e eficientes.