Modely nestacionární turbulence: URAN nebo DDES?

Ve statice je předpovídání účinků turbulentního proudění větru na konstrukce rozhodující pro bezpečnost a výkonnost. Modelování turbulence ve výpočetní dynamice tekutin (CFD) pomáhá simulovat tyto interakce. Inženýři musí zvolit praktický turbulentní model se zohledněním účinnosti, přesnosti a použitelnosti. Běžné modely zahrnují Reynoldsův průměrný Navier-Stokesův model (RANS), nestabilní Reynoldsův průměrný Navier-Stokesův model (URANS) a zpožděnou oddělenou simulaci víření (DDES). RANS je robustní a nákladově efektivní pro ustálené proudění, URANS zachycuje časově závislé jevy pro střední nestacionality a DDES, hybrid RANS a simulace velkých vírů (LES), řeší složité turbulentní konstrukce. Pochopení silných stránek a omezení každého modelu pomáhá inženýrům vybrat nejlepší přístup pro jejich použití.

Modelování turbulence hraje důležitou roli ve výpočetní dynamice tekutin (CFD), protože se snaží předpovídat chování turbulentního proudění. Tyto modely jsou klíčové pro vytváření efektivních a bezpečných inženýrských aplikací, jako je analýza a návrh interakcí větrné konstrukce. Existuje několik přístupů k modelování turbulence, přičemž tři široce používané modely jsou Reynoldsův průměrný Navier-Stokesův model (RANS), nestabilní Reynoldsův průměrný Navier-Stokesův model (URANS) a zpožděná detašovaná simulace vírů (DDES). Každý z těchto modelů má odlišné charakteristiky a specifické použití.

RWIND používá modely turbulence URANS a DDES jako použitelné modely nestacionární turbulence v oblasti statiky. Tyto modely byly vybrány pro svou schopnost vyvážit výpočetní efektivitu a přesnost, což je činí použitelnými pro širokou škálu statických aplikací. URANS nabízí mírné výpočetní náklady pro zachycení přechodných jevů ve velkém měřítku, zatímco DDES kombinuje silné stránky RANS a simulace velkých vířivých proudů (LES) pro detailní rozlišení složitých turbulentních konstrukcí. Integrací těchto modelů rozšiřuje RWIND svou schopnost simulovat chování větrné konstrukce a zajišťuje tak efektivitu a přesnost při analýze.

URAN (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes)

URANS staví na metodě RANS tím, že zohledňuje časově závislé změny v poli proudění, a umožňuje tak zachytit nestacionární účinky zatížení větrem. To umožňuje programu URANS modelovat ve větším měřítku nestacionární proudění a oscilační chování, jako je uvolňování vírů z rohů budov. Ačkoli URANS nabízí oproti RANS zlepšení v oblasti zachycení nestability, stále používá vířivé-viskozní modely, které nemusí adekvátně rozlišovat jemnější turbulentní konstrukce.

URANS turbulence model v RWIND

DDES (Delayed Detached Eddy Simulation)

DDES je hybridní metoda, která integruje metody RANS a LES (Large Eddy Simulation). V oblastech s připojenou mezní vrstvou funguje DDES jako RANS model, což zajišťuje efektivitu výpočtu. V oblastech, kde dochází k uvolnění proudění a převládají větší turbulentní struktury, se DDES přepne do režimu LES pro přesnější rozlišení. Tento přístup je zvláště účinný u složitých proudění zahrnujících oddělení, opětovné připojení a vlnité oblasti, například okolo okrajů a rohů budov. DDES představuje dobrou rovnováhu mezi náklady na výpočet a přesností, a je tak vhodný pro simulaci proudění s vysokým Reynoldsovým číslem se značnými nestacionárními a oddělenými oblastmi.

DDES model turbulence v RWIND

Výhody a nevýhody URANS a DDES

Výhody URANS

Časově závislé schopnosti: URANS dokáže zachytit nestacionární jevy a nestacionární proudění, jako je odtrhávání vírů, což RANS nedokáže.
Mírné výpočetní náklady: Zatímco výpočetně náročnější než RANS, URANS je stále relativně efektivní ve srovnání se složitějšími modely jako LES nebo DDES.
Inženýrská praxe: URANS je vhodný pro mnoho praktických inženýrských systémů, kde je důležité zachytit nestabilní chování ve velkém měřítku.

Nevýhody URANS

Omezená přesnost pro složité proudění: URAN nemusí přesně předpovídat jemnější turbulentní konstrukce, protože se spoléhá na modely s vířivou viskozitou.
Stále zprůměrované v čase: I když je to méně striktní než RANS, URANS stále průměruje proudění v čase, což může vyhladit některé důležité přechodné detaily.
Méně efektivní pro silně oddělené proudění: URANS může mít problémy s prouděním, které se výrazně odděluje a znovu připojuje, protože v těchto scénářích není tak rafinované jako LES nebo hybridní metody.

Výhody DDES

Hybridní přístup: DDES kombinuje silné stránky RANS a LES, což umožňuje efektivní simulaci připojených hraničních vrstev i oddělených turbulentních oblastí.
Přesnost v komplexním proudění: DDES může přesněji řešit velké turbulentní konstrukce a složité chování proudění, jako je separace, opětovné připojení a boulení, a poskytuje tak lepší predikci pro vysoké proudění podle Reynoldsova čísla.
Výpočetní účinnost: Přepínáním mezi režimy RANS a LES udržuje DDES rovnováhu mezi náklady na výpočet a přesností simulace, což je efektivnější než úplné LES.

Nevýhody DDES

Vyšší výpočetní náklady než URANS: DDES je výpočetně náročnější než URANS, protože v určitých oblastech proudění je třeba počítat s LES.
Komplexní realizace: Hybridní povaha DDES vyžaduje pečlivou implementaci a kalibraci, aby byl zajištěn hladký přechod modelu mezi oblastmi RANS a LES.
Citlivost na rozlišení rastru: Výkonnost DDES je velmi závislá na kvalitě a rozlišení výpočetní sítě, zejména v oblastech, kde model přechází z RANS na LES.

Závěr a výhled

Stručně řečeno, URAN je výhodný pro zachycení nestacionárních jevů ve velkém měřítku s mírnými výpočetními náklady, ale může být nedostatečný v přesnosti pro složité turbulentní proudění. DDES nabízí přesnější znázornění takových toků kombinací metod RANS a LES, ovšem s vyššími výpočetními nároky a složitostí.