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 modélisation des turbulences, les trois modèles les plus répandus étant Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), Unsteady Reynolds-Averaged 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 flux transitoires turbulents 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. Le coût de calcul URANS est modéré pour la saisie des phénomènes transitoires à grande échelle, tandis que DDES combine les atouts de RANS et de Large Eddy Simulation (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 l’efficacité et la précision de ses analyses.
URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes)
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 tourbillonnaires depuis angles des bâtiments. Bien qu’URANS présente des améliorations par rapport à RANS dans la capture de l’instabilité, cette méthode 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 Large Eddy Simulation (LES). Dans les régions où une couche limite est fixée, DDES fonctionne comme un modèle RANS, garantissant ainsi l’efficacité de calcul. Dans les zones où les flux se détachent et où les plus grandes structures turbulentes 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 de sillage, par exemple autour des bords et des angles d’un bâtiment. La méthode DDES équilibre le coût de calcul et la précision, ce qui l’adapte 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
Avantages d’URANS
- Fonctions d’analyse en fonction du temps : URANS peut capturer les phénomènes de flux transitoires et les caractéristiques des flux transitoires, tels que le détachement tourbillonnaire, ce que ne permet pas RANS.
- Coût de calcul moyen : Bien que plus consommateur de puissance de calcul 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 des flux transitoires à grande échelle est importante.
Désavantages 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.
- Toujours moyenné dans le temps : Même si ce processus est plus strict dans le cas de RANS, URANS calcule la moyenne du flux au fil du temps, ce qui peut lisser certains détails transitoires importants.
- Moins efficace pour les flux fortement séparés : 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.
Avantages de DDES
- Approche hybride : DDES combine les avantages 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 réassemblages et les sillages, ce qui permet de mieux prévoir les flux à nombre de Reynolds élevé.
- Calcul efficace : Basculer entre les modes RANS et LES, permet à DDES de maintenir l’équilibre entre le coût de calcul et la précision de la simulation, ce qui le rend plus efficace que l’approche LES seule.
Désavantages de DDES
- Un coût de calcul plus élevé qu’URANS : DDES demande plus de puissance de calcul qu’URANS en raison de la nécessité de calculer selon la méthode LES dans certaines régions du flux.
- Implémentation complexe : L’aspect 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.
- Sensibilité à la 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. DDES offre une représentation plus précise de ces flux en combinant les méthodes RANS et LES, mais consomme plus de puissance de calcul, pour des calculs plus complexes.
Base de connaissance