Моделирование турбулентности является критическим аспектом вычислительной гидродинамики (CFD), который стремится предсказать поведение турбулентных потоков. Модели турбулентности необходимы для проектирования эффективных и безопасных инженерных приложений, таких как взаимодействие ветра и структур для анализа и проектирования конструкций. Среди различных подходов к моделированию турбулентности три популярных модели — это времяусредненные уравнения Навье-Стокса (RANS), нестационарные времяусредненные уравнения Навье-Стокса (URANS) и задержанная отсоединённая вихревая симуляция (DDES). Каждая модель имеет свои уникальные особенности и области применения.
RANS (времяусредненные уравнения Навье-Стокса)
Подход RANS является одним из самых распространённых методов, используемых в моделировании турбулентности. Он предполагает усреднение уравнений Навье-Стокса по времени, что эффективно сглаживает колебания турбулентности для предоставления решения в стационарном режиме. Этот метод существенно упрощает вычислительные требования и особенно полезен в приложениях, где поток стационарный или слабо нестационарный. Модели RANS широко используются в промышленных приложениях благодаря своей надёжности и низким вычислительным затратам. Однако они могут быть менее точными в прогнозировании сложных потоков с существенным отрывом или сильной нестационарностью.
URANS (нестационарные времяусредненные уравнения Навье-Стокса)
URANS расширяет подход RANS, позволяя учитывать временные изменения в поточном поле, что делает его способным захватывать нестационарные явления. Он всё ещё использует усреднение по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, но не усредняет поток во времени так строго, как RANS. Это означает, что URANS может моделировать более крупные масштабы переходных поточных характеристик и колебательное поведение, что типично для многих практических инженерных систем, таких как вихревая сброска с углов здания. Хотя URANS улучшает RANS в плане захвата нестационарности, он всё ещё использует модели вязкости вихрей, которые могут неадекватно разрешать более тонкие структуры турбулентности.
DDES (задержанная отсоединённая вихревая симуляция)
DDES является гибридным подходом, которое сочетает методологии RANS и крупномасштабной вихревой симуляции (LES). В областях потока, где пограничный слой прилегает, DDES ведет себя как модель RANS, обеспечивая вычислительную эффективность. В областях, где поток отсоединяется и доминируют более крупные турбулентные структуры, DDES переключается в режим LES, который разрешает эти структуры более точно. Этот метод особенно полезен в сложных потоках, включающих отрыв потока, повторное присоединение и области хвостовых течений, таких как края и углы зданий. DDES предлагает хороший баланс между вычислительными затратами и точностью, особенно в симуляции потоков с высоким числом Рейнольдса со значительной нестационарностью и оторванными регионами.
Заключение
Выбор правильной модели турбулентности в значительной степени зависит от конкретных требований задачи, включая характеристики потока, потребности в точности и доступные вычислительные ресурсы. Модели RANS подходят для более простых стационарных потоков, в то время как URANS лучше справляется с нестационарными явлениями. DDES, хотя и более требовательный в плане вычислительных ресурсов, чем RANS или URANS, предлагает превосходную точность в случаях сложных нестационарных оторванных потоков. Каждая из этих моделей значительно способствовала прогрессу в симуляциях гидродинамики, поддерживая инженеров и исследователей в разработке более эффективных и современных технологических решений.