Ответ:
Моделирование турбулентности - это критический аспект вычислительной гидродинамики (CFD), который направлен на предсказывание поведения вихревых потоков. Модели турбулентности необходимы для проектирования эффективных и безопасных инженерных приложений, таких как взаимодействие ветра и конструкции в расчете и проектировании конструкций. Среди различных подходов к моделированию турбулентности тремя популярными являются модель усредненного по Рейнольдсу Навье-Стокса (RANS), нестационарная модель усредненного по Рейнольдсу Навье-Стокса (URANS) и моделирование с запаздыванием отдельных вихрей (DDES). Каждая модель имеет свои уникальные функции и области применения.
RANS (усредненное по Рейнольдсу Навье-Стокса)
RANS - один из наиболее распространенных методов, используемых при моделировании турбулентности. Он включает в себя усреднение уравнений Навье-Стокса по времени, которое эффективно сглаживает колебания турбулентности и обеспечивает стационарное решение. Данный метод значительно упрощает вычислительные требования и особенно полезен для приложений, в которых поток является стационарным или слегка нестационарным. RANS-модели экстенсивно используются в промышленных приложениях благодаря их надежности и низкой вычислительной сложности. Однако они могут быть менее точными при прогнозировании сложных течений со значительными отрывами или сильной нестационарностью.
URANS (нестационарный расчет, усредненный по Рейнольдсу, Навье-Стокс)
URANS расширяет подход RANS, допуская зависящие от времени изменения в поле потока, что позволяет фиксировать нестационарные явления. В нем по-прежнему используется усреднение по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, но не усреднение потока по времени так жестко, как в RANS. Это означает, что URANS может моделировать более масштабные нестационарные характеристики потока и колебательное поведение, которые типичны для многих практических систем, таких как вихреобразование из углов зданий. Хотя URANS улучшена по сравнению с RANS в отношении учёта неустойчивости, она по-прежнему использует модели вихревой вязкости, которые могут не передавать должным образом более мелкие турбулентные структуры.
DDES (моделирование отложенного вихреобразования)
DDES - это гибридный подход, сочетающий в себе методологии RANS и моделирования больших турбулентностей (LES). В тех областях потока, где прикреплен граничный слой, DDES ведет себя как модель RANS, обеспечивая эффективность вычислений. В областях с отрывом потока и преобладанием более крупных турбулентных структур, DDES переключается на режим LES, который более точно разрешает данные структуры. Этот метод особенно полезен в сложных потоках, включающих отрыв потока, повторное присоединение и области спутного потока, такие как края и углы зданий. DDES предлагает хороший баланс между вычислительными затратами и точностью, особенно при моделировании потоков с высокими числами Рейнольдса со значительными нестационарными и отрывными областями.
Заключение
Выбор подходящей модели турбулентности во многом зависит от конкретных требований рассматриваемой проблемы, включая характеристики потока, требования к точности и доступные вычислительные ресурсы. Модели RANS подходят для более простых стационарных потоков, в то время как URANS обеспечивает лучшую обработку нестационарных явлений. Хотя DDES и более требовательна к вычислениям, чем RANS или URANS, она предлагает более высокую точность в случаях сложных, нестационарных отрывных потоков. Каждая из представленных моделей внесла значительный вклад в развитие гидродинамического моделирования, помогая инженерам и исследователям в разработке более эффективных и экономичных решений.