La modélisation de la turbulence joue un rôle essentiel en mécanique des fluides numérique (CFD) car elle vise à prévoir le comportement des flux turbulents. Ces modèles sont essentiels pour créer des applications d'ingénierie efficaces et sûres, telles que l'analyse et la vérification des interactions vent-structure. Il existe plusieurs approches de la modélisation des turbulences, avec trois modèles largement utilisés étant le Reynolds-Averated Navier-Stokes (RANS), Unsteady Reynolds-Avered Navier-Stokes (URANS) et Delayed Detached Eddy Simulation (DDES). Chacun de ces modèles a des caractéristiques distinctes et des applications spécifiques.
RWIND utilise des modèles de turbulence URANS et DDES comme modèles de turbulence transitoire applicables dans le domaine de l'ingénierie des structures. Ces modèles ont été choisis pour leur capacité à équilibrer l'efficacité et la précision de calcul, ce qui les rend pratiques pour un large éventail d'applications en ingénierie des structures. URANS offre un coût de calcul limité pour la saisie des phénomènes transitoires à grande échelle, tandis que DDES combine les forces de RANS et de simulation des grandes structures de la turbulence (LES) pour fournir une résolution détaillée des structures turbulentes complexes. En intégrant ces modèles, RWIND améliore sa capacité à simuler le comportement des interactions vent-structure, garantissant ainsi à la fois efficacité et précision dans ses analyses.
URANS (Un porte-à-faux)
URANS s'appuie sur la méthode RANS en adaptant les modifications en fonction du temps dans le champ d'écoulement, ce qui permet de saisir les effets transitoires de la charge de vent. Cela permet à URANS de modéliser des caractéristiques de flux transitoire à plus grande échelle et des comportements oscillants, tels que le détachement de vortex des coins de bâtiment. Bien qu'URANS offre des améliorations par rapport à RANS dans la capture de l'instabilité, il utilise toujours des modèles de viscosité turbulente qui ne peuvent pas résoudre correctement les structures turbulentes plus fines.
DDES (Delayed Detached Eddy Simulation)
DDES est une méthode hybride qui intègre les techniques RANS et Simulation des grandes structures de la turbulence (LES). Dans les régions où une couche limite est fixée, DDES fonctionne comme un modèle RANS, garantissant ainsi une efficacité de calcul. Dans les zones où l'écoulement se détache et où les structures turbulentes plus grandes prévalent, DDES passe à un mode LES pour une résolution plus précise. Cette approche est particulièrement efficace pour les flux complexes comprenant des zones de séparation, de réassemblage et d'activation, par exemple autour des bords et des coins d'un bâtiment. Le logiciel DDES offre un équilibre entre le coût de calcul et la précision, ce qui le rend adapté à la simulation des flux à nombre de Reynolds élevés avec des régions transitoires et séparées importantes.
Avantages et inconvénients d’URANS et de DDES
Les avantages d'URANS
- Fonctions dépendantes du temps : URANS peut capturer les phénomènes transitoires et les caractéristiques des flux transitoires, tels que le détachement de vortex, que RANS ne peut pas.
- Coût de calcul moyen : Bien qu'il soit plus complexe en calculs que RANS, URANS est néanmoins relativement efficace par rapport à des modèles plus complexes comme les ou DDES.
- Avantages pratiques pour les applications en ingénierie : URANS est adapté à de nombreux systèmes d'ingénierie où la saisie des comportements transitoires à grande échelle est importante.
Inefficacités d’URANS
- Précision limitée pour les flux complexes : URANS ne peut pas prévoir avec précision les structures turbulentes plus fines en raison de sa dépendance aux modèles de viscosité turbulente.
- Fixé en moyenne dans le temps : Bien que cela soit moins strictement que RANS, URANS calcule la moyenne du flux au fil du temps, ce qui peut lisser certains détails transitoires importants.
- Moins efficace pour les écoulements fortement séparés : L'URANS peut avoir des difficultés avec les flux présentant une séparation et un réassemblage importants, car elle n'est pas aussi raffinée que les méthodes LES ou hybrides dans ces scénarios.
Les avantages du DDES
- Approche hybride : DDES combine les forces de RANS et de LES, permettant une simulation efficace des couches limites attachées et des régions turbulentes détachées.
- Précision dans les flux complexes : DDES peut résoudre plus précisément de larges structures turbulentes et des comportements d'écoulement complexes tels que les séparations, les réactions de fixation et les activés, ce qui permet de mieux prévoir les flux à nombre de Reynolds élevé.
- Efficacité de calcul : En basculant entre les modes RANS et LES, DDES maintient un équilibre entre le coût de calcul et la précision de la simulation, ce qui le rend plus efficace que les bords complets.
Inefficacités de DDES
- Un coût de calcul plus élevé qu'URANS : DDES est plus complexe à calculer qu'URANS en raison de la nécessité de calculs de LES dans certaines régions du flux.
- Implémentation complexe : La nature hybride de DDES nécessite une mise en œuvre et un calibrage minutieux afin d'assurer des transitions de modèle fluides entre les régions RANS et LES.
- Choix de résolution de grille : Les performances de DDES dépendent fortement de la qualité et de la résolution de la grille de calcul, en particulier dans les régions où le modèle passe de RANS à LES.
Conclusion
En résumé, URANS est utile pour capturer les phénomènes d’instabilité à grande échelle à un coût de calcul modéré, mais sa précision peut être faible pour les écoulements turbulents complexes. Le logiciel DDES offre une représentation plus précise de ces flux en combinant les méthodes RANS et LES, mais il s'agit d'une demande de calcul plus complexe et plus complexe.
Base de connaissance
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