A turbulência é um dos fenómenos mais complicados de observar na natureza, o que torna difícil uma definição precisa. No fluxo turbulento, o fluido segue trajetórias curvas irregulares, as chamadas redemoinho. Geralmente, o fluxo fica interligado e são criadas estruturas de diversos tamanhos. Movem-se e rodam graficamente, interagem entre si e com o campo de fluxo principal e alteram de forma e tamanho rapidamente. A mistura é significativa e afeta a distribuição do momento e, consequentemente, as forças aerodinâmicas dentro de um fluido e um obstáculo circundante, como é o caso dos edifícios. Se pretende estudar este fenómeno complicado e espiar por baixo do capitel, recomendamos o seguinte download: [1]

As estruturas turbulentas provocam no fluido a vórtice, que é frequentemente utilizada para descrever a turbulência e não a velocidade.

A vorticidade é gerada principalmente nos contornos dos sólidos. Nas camadas de contorno formadas ao longo dos contornos dos sólidos, a velocidade varia de zero na fronteira (condição de não deslizamento) até um valor determinado pelo fluxo, na sua maioria não afetado pela fronteira. A turbulência ocorre quando instabilidades, tais como a rugosidade da superfície de fronteira, fazem com que a vórtice se torne caótica, sustentada por um coeficiente de Reynolds suficientemente alto. A camada limite liberta-se das bordas e, assim, a vorticidade e a turbulência são arrastadas para regiões do fluido fora das bordas. Grandes vórtices são geralmente anisotrópicos (por exemplo o fluxo após um cilindro causa o desprendimento de vórtices). As perturbações do fluxo provocam instabilidades que fazem com que os vórtices se alongem, se comprimam e desapaream. Estruturas de fluxo coerentes desintegram-se rapidamente numa massa de vórtices de turbulência com crescimento de isotrópico em grande escala. Grandes vórtices tornam-se menores até atingirem um tamanho em que a dissipação de sua energia cinética devido à viscosidade é significativa. A perda de energia cinética faz com que esses redemoinho desapareça. [3]

Para um fluido incompressível a vórtice obedece à equação de transporte.

Numerical Modelação de Turbulence

Para captar completamente a turbulência através da modelação numérica, é necessário resolver as equações de movimento para o fluxo de fluidos em todas as escalas de espaço e tempo. Não existe um método universal adequado.

O método exato para calcular o fluxo com as equações acima mencionadas para todas as escalas, designado de "Simulação numérica direta" (WIND), não é aplicável para a prática CFD devido aos seus custos computacionais. Os recursos computacionais necessários para o servidor excedem em muito a capacidade dos supercomputadores mais poderosos atualmente disponíveis.

O "Large-Edy Simulation" (LES) utiliza, em vez disso, esquemas numéricos precisos, tais como o Nome de estado limite último, para grandes escalas, enquanto para pequenas escalas é utilizada a modelação da turbulência (a chamada modelação à escala de sub-grelha). Tem limitações graves nas regiões próximas da parede, uma vez que o esforço computacional necessário para a camada limite, onde a escala de comprimento de turbulência se torna muito pequena, aumenta rapidamente. No entanto, para fluxos de corte livres, onde os grandes vórtices estão na ordem de magnitude como a camada de corte e fortemente anisotrópico, o LES pode providenciar resultados extremamente fiáveis. É útil para resolver problemas tais como, fluxo induz vibrações etc.

Para a maioria dos problemas CFD práticos os custos computacionais de DNS e em menor extensão LES são muito grandes. Em vez disso, o método de equações "Reynolds-Averaged Navier-Stoke" (RANS) é muito mais acessível (ver sub-capítulo Modelos RANS para turbulência.

Para problemas mais complexos, onde são necessárias as vantagens dos métodos acima mencionados, mas os custos computacionais devem permanecer razoáveis, podem ser utilizados os "métodos híbridos globais" (ver sub-capítulo {%>

RANS Modelos para Turbulence

Para fluxos estacionários, o RWIND 3 utiliza o modelo de turbulência Reynolds Averaged Navier-Stoke Equations (RANS). O RANS é baseado na decomposição de Reynolds, segundo a qual uma variável de fluxo é decomposta em componentes médios e flutuantes. Quando a decomposição é aplicada às equações de Navier-Stokes, surge um termo a mais, conhecido como "Tensor de tensão de Reynolds", e o sistema de equações tem de ser "fechado". Os níveis de modelos de turbulência RANS estão relacionados com o número de equações diferenciais adicionadas às equações RANS para as "fechar". [2]

Os modelos de duas equações mais populares, k-ε e k-ω, também estão disponíveis no RWIND 3. O modelo de turbulência de uma equação "Spalart-Allmaras" (SA) foi desenvolvido especificamente para fluxos aerodinâmicos e também é utilizado com frequência nos métodos híbridos globais. É utilizado no RWIND 3 Pro para modelar a turbulência em fluxos transitórios (ver sub-capítulo [#GlobalHybridModelsParaTurbulência Modelos híbridos globais para turbulência])

k-ε Turbulência Model

O modelo k-ε foi o primeiro modelo de turbulência a ser amplamente utilizado para uma variedade de fluxos em CFD. Baseando-se na analogia do movimento aleatório de vórtices num fluxo de fluido turbulento com partículas à escala Molecular, proposto por Boussinesq. Introduziu o conceito de viscosidade de EV, que não é uma propriedade de fluido, mas é proporcional a uma escala de velocidade e comprimento característica da turbulência. Os modelos são necessários para representar cada uma destas escalas. A escala de velocidade é representada pela energia cinética turbulenta k, descrita por uma equação de transporte. A equação k inclui um termo para a sua taxa de dissipação ε; uma equação de transporte para ε fornece um modelo para esse termo – o qual também representa a escala de comprimento da turbulência. {%>

O modelo k-ε é resistente e computacionalmente económico. É válido apenas para fluxos totalmente turbulentos. Portanto, é adequado para iterações iniciais e estudos paramétricos. O seu desempenho é fraco para fluxos complexos envolvendo gradiente de pressão forte ou desfavorável, separadores e curvaturas de fluxo fortes. Também se comporta de forma problemática nos contornos.

k-ω Turbulência Model

O modelo k-ω "fecha" o sistema RANS através de duas equações diferenciais parciais para k e ω, sendo a primeira variável novamente a energia cinética de turbulência e a segunda a taxa de dissipação específica (da energia cinética de turbulência k em temperatura interna energia). O seu melhor termo de dissipação dá ao modelo k-ω uma vantagem sobre o modelo k-ε na região próxima da parede. Também tem bom desempenho para corte livre e fluxos com coeficientes de Reynolds baixos. É mais adequado para fluxos de camada limite complexos e para separações na aerodinâmica externa (no entanto, a separação de fluxo é normalmente prevista de forma excessiva e antecipada e, portanto, requer uma resolução de malha elevada perto da parede). Pode ser utilizado para fluxos de transição.

Os modelos de duas equações contêm muitas suposições e são calibrados para funcionar bem apenas de acordo com as funções bem conhecidas das aplicações que foram concebidos para resolver. No entanto, a sua força já foi comprovada e é amplamente utilizada pela indústria dos cálculos CFD.

Global Modelos híbridos para Turbulence

A ideia dos modelos híbridos globais é tirar proveito das vantagens dos modelos RANS e LES disponíveis. O método RANS é aplicado para uma parte da camada limite onde a LES teria custos computacionais elevados, e o resto do fluxo com grandes vórtices é resolvido pelo LES, onde o RANS não consegue modelar bem estruturas turbulentas anisotrópicas. Por outras palavras, é atribuído o modo de solução RANS às regiões onde a escala do comprimento turbulento é inferior à dimensão máxima da grelha. Como a escala de comprimento turbulento excede a dimensão da grelha, as regiões são resolvidas utilizando o modo LES, reduzindo assim os custos de cálculo de forma significativa, mas ainda oferecendo algumas das vantagens do método LES em regiões separadas.

Spalart-Allmaras DDES Model

Na análise de fluxo transitório (apenas no RWIND 3 Pro), é utilizado um modelo híbrido global "Spalart-Allmaras Delayed Destaced Edy Simulation", ver turbulência-des-spalart-allmaras-ddes.html Openfoam®.

A principal melhoria da "Simulação de turbulência deslocada tardia" (DDES) é incluir a informação da viscosidade turbulenta no mecanismo de comutação para atrasar esta alteração nas camadas limite. O sistema RANS é "fechado" por uma equação de transporte de viscosidade e turbulência de acordo com o "modelo Spalart-Allmaras" com uma escala de comprimento do modelo incorporada à distância da parede.

Modelo turbulento de equação única de Spalart-_Allmaras que resolve a equação de transporte modelada para a viscosidade turbulenta com forma de redemoinho νT. A equação resolve uma Spalart-Allmaras, variável semelhante à viscosidade. Dito de uma forma simples, a variável α é mais fácil de calcular do que ν_T diretamente, por isso a variável α é primeiro calculada numericamente. Em seguida, a viscosidade turbulenta e turbulenta ν_T é calculada (corrigida) através de α e, finalmente, ν_T é adicionado às equações do momento para fechar o sistema de equações e pode ser resolvido. Pode encontrar uma descrição detalhada https://cfdisrael.blog/2017/04/26/compreenda-o-modelo-spalart-allmaras/aqui.

A turbulência é um dos fenómenos mais complicados de observar na natureza, o que torna difícil uma definição precisa. A literatura fornece muitas definições, por exemplo, a que está incluída em [1]: "Um movimento de fluido é descrito como turbulento se for tridimensional, rotacional, intermitente, altamente desorganizado, difuso e dissipativo". Se pretende estudar este fenómeno complicado e espiar por baixo do capitel, recomendamos o seguinte download:

Para captar completamente a turbulência através da modelação numérica, é necessário resolver as equações de movimento para o fluxo de fluidos em todas as escalas de espaço e tempo. Esta abordagem é conhecida como "Simulação numérica direta" (WIND). Para aplicações industriais, os recursos computacionais exigidos pelo DNS excedem em muito a capacidade dos supercomputadores mais poderosos atualmente disponíveis.

Em vez disso, o RWIND 3 utiliza uma técnica diferente, como a velocidade ou a pressão decomposta em componentes médios e componentes flutuantes. Por outras palavras, é aplicada a média das equações determinantes do movimento do fluido para remover as pequenas escalas, o que resulta num conjunto de equações modificado e de resolução computacional menos trabalhosa. Estas equações são designadas por "Equações de Navier-Stokes calculadas em Reynolds" (RANS).

Para resolver o RANS no RWIND 3, é utilizado o modelo de turbulência k-ε {%>artigo da Wikipédia).

Com a "Simulação de grandes escalas de turbulência" (LES), estruturas turbulentas relativamente grandes são resolvidas como em (DMS). São modeladas estruturas em pequena escala, as chamadas escalas de sub-grelha.

Em "Análise de fluxo transitório", que é uma modificação da equação de "Reynolds Averaged Navier-Stoke" (RANS), é utilizado o modelo "Spalart-Allmaras Delayed Destaced Edy Simulation", ver Openfoam®. Este modelo tenta tratar as regiões próximas da parede de forma semelhante ao RANS e o resto do fluxo de forma semelhante a LES. Por outras palavras, é atribuído o modo de solução RANS às regiões onde a escala do comprimento turbulento é inferior à dimensão máxima da grelha. Como a escala de comprimento de turbulência excede a dimensão da grelha, as regiões são resolvidas utilizando o modo LES.