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 Рейнольдс-Усредненный 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 с задержкой отдельного вихря)
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. This method is particularly useful in complex flows involving flow separation, reattachment, and wake regions, such as building edges and corners. 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.
Показать больше