湍流建模是计算流体动力学 (CFD) 的一个关键方面，其目的是预测湍流的行为。湍流模型对于设计高效和安全的工程应用至关重要，例如风与结构的相互作用以进行结构分析和设计。在众多湍流建模方法中，三种流行的模型是雷诺平均纳维 - 斯托克斯 (RANS)、非稳态雷诺平均纳维 - 斯托克斯 (URANS) 和延迟分离涡模拟 (DDES)。每个模型都有其独特的特点和应用。
RANS (雷诺平均纳维 - 斯托克斯)
RANS 方法是湍流建模中最常用的方法之一。它涉及随时间平均纳维 - 斯托克斯方程，有效地平滑湍流的波动，从而提供稳态解决方案。这种方法显著简化了计算需求，尤其适用于流动稳态或轻微非稳态的应用。由于其稳健性和低计算成本，RANS 模型广泛用于工业应用。然而，它们在预测具有显著分离或强非稳态的复杂流动时可能不够准确。
URANS (非稳态雷诺平均纳维 - 斯托克斯)
URANS 通过允许流场中的时间依赖性变化来扩展 RANS 方法，使其能够捕捉非稳态现象。它仍然利用纳维 - 斯托克斯方程的雷诺平均，但不像 RANS 那样严格地平均时间。这意味着 URANS 可以模拟更大尺度的瞬态流动特征和振荡行为，这在许多实际工程系统中是典型的，例如建筑物拐角处的涡街脱落。尽管 URANS 在捕捉非稳态方面优于 RANS，但它仍采用涡粘性模型，这可能无法充分解决较精细的湍流结构。
DDES (延迟分离涡模拟)
DDES 是结合 RANS 和大涡模拟 (LES) 方法的混合方法。在边界层附着的流动区域，DDES 表现得像一个 RANS 模型，提供计算效率。在流动分离较大湍流结构主导的区域，DDES 切换到 LES 模式，更准确地解决这些结构。这种方法在涉及流动分离、再附着和尾流区域等复杂流动中特别有用，例如建筑边缘和拐角。DDES 在计算成本和精度之间提供了良好的平衡，特别是在模拟具有显著非稳态和分离区域的高雷诺数流动时。
结论
选择合适的湍流模型在很大程度上取决于手头问题的具体要求，包括流动特性、精度需求和可用的计算资源。RANS 模型适用于较简单的稳态流动，而 URANS 则更好地处理非稳态现象。尽管 DDES 比 RANS 或 URANS 在计算上要求更高，但在涉及复杂、非稳态分离流动的情况下提供了更高的精度。这些模型中的每一个都在流体动力学仿真的进步中做出了重要贡献，支持工程师和研究人员开发更有效和高效的技术解决方案。