Турбулентность - одно из сложнейших природных явлений, которое трудно поддается точному определению. В турбулентном потоке жидкость следует по неправильной криволинейной траектории, называемой вихрями. Как правило, потоки переплетены и создают конструкции разных размеров. Они мгновенно двигаются и вращаются, взаимодействуют друг с другом и с основным полем потока, быстро меняют форму и размер. Пересечение является значительным и влияет на распространение импульса и, как следствие, на аэродинамические силы в жидкости и окружающих препятствиях, таких как здания. Если вы хотите изучить это сложное явление и заглянуть под шляпу, мы рекомендуем вам это - Введение в турбулентность. {%ref#Ссылка [1]]]
Турбулентные структуры вызывают в жидкости завихрение, которое часто используется для описания турбулентности, а не скорости.
Завихрение в основном возникает на границах тел. В граничных слоях, образованных вдоль границ тел, скорость изменяется от нуля на границе (условие прилипания) до значения, которое практически не зависит от границы и определяется потоком. Турбулентность возникает тогда, когда нестабильности, такие как шероховатость граничной поверхности, приводят к тому, что завихрение становится хаотическим, поддерживаемым достаточно высоким числом Рейнольдса. Пограничный слой отделяется от границ, завихрения и турбулентность переносятся в области жидкости вдали от границ. Большие завихрения, как правило, анизотропны (например, обтекание цилиндра вызывает сбрасывание вихрей). Возмущения потока вызывают неустойчивости, которые заставляют вихри растягиваться, сжиматься и исчезать. Связные структуры потока быстро распадаются на массу турбулентных завихрений с увеличением изотропии в больших масштабах. Большие водовороты становятся меньше, пока не достигают размера, при котором диссипация их кинетической энергии из-за вязкости значительна. Потеря кинетической энергии приводит к тому, что эти вихри исчезают. {%ref#Ссылка [3]]]
Для несжимаемой жидкости завихрение подчиняется уравнению переноса.
Numerical Моделирование Turbulence
Для полного учета турбулентности с помощью численного моделирования, необходимо решить уравнения движения потока жидкости во всех пространственных и временных масштабах. Подходящего универсального метода не существует.
Точный метод расчета потока с помощью вышеупомянутых уравнений для всех масштабов, называемый «Прямое численное моделирование» (TNS), на практике CFD не применим из-за его дополнительных вычислений. Вычислительные ресурсы, необходимые для распределенной системы координат, намного превышают возможности самых мощных суперкомпьютеров, доступных в настоящее время.
Вместо того, Он имеет жесткие ограничения в пристеночных областях, поскольку вычислительная трудоемкость, необходимая для граничного слоя, где масштаб длин турбулентности становится очень маленьким, быстро возрастает. Однако для свободных сдвиговых потоков, где большие водовороты по порядку величины, как сдвиговой слой, и к тому же они сильно анизотропны, LES может предоставить чрезвычайно надёжные результаты. Полезно решить такие проблемы, как поток вызывает колебания и т.д.
Для большинства практических задач CFD вычислительные затраты на RF и, в меньшей степени, на LES слишком велики. Вместо этого, метод уравнений RANS-усредненного Навье-Стокса (RANS) гораздо более доступным (см.
Для решения более сложных задач, когда требуются преимущества вышеупомянутых методов, а вычислительные затраты должны оставаться разумными, можно применить так называемые "глобальные гибридные методы" (см. %\}). Глобальные гибридные методы основаны на сочетании методов LES и RANS, переключая их при изменении уровня разрешения. RANS применяется для части граничного слоя, а большие водовороты отделяются от этих областей с помощью LES. Самыми популярными моделями являются «моделирование отдельного турбулентности» (DES) или «моделирование отдельного турбулентности с задержкой» (DDES).
RANS Модели для Turbulence
Для стационарных потоков в программе RWIND 3 используется модель турбулентности, основанная на усреднении по Рейнольдсу Навье-Стокса (RANS). RANS основана на разложении Рейнольдса, согласно которому переменная потока расщепляется на среднюю и колебательную составляющие. Когда разложение применяется к уравнениям Навье-Стокса, возникает дополнительный термин, известный как «тензор напряжений Рейнольдса», и система уравнений должна быть «замкнута». Уровни RANS моделей турбулентности связаны с рядом дифференциальных уравнений, добавленных к RANS уравнениям, чтобы «закрыть» их. {%ref#Ссылка [2]]]
Наиболее распространенные двухпараметрические модели k-ε и k-ω доступны также в программе RWIND 3. Модель турбулентности типа «Spalart-Allmaras» (SA) была разработана специально для аэродинамических потоков и часто используется в гибридных методах расчета. Он используется в RWIND 3 Pro для моделирования турбулентности в нестационарных потоках (см. подраздел [#GlobalHybridModelsForTurbullence Глобальные гибридные модели турбулентности])
k-ε Турбулентность Model
Модель k-ε была первой моделью турбулентности, которая стала широко использоваться для различных потоков в CFD. Он основан на аналогии хаотического движения завихрений в турбулентном потоке жидкости с частицами на виртуальном уровне, предложенному Буссинеском. Он ввел концепцию турбулентной вязкости, которая не является свойством жидкости, а пропорциональна характерной скорости и масштабу длины турбулентности. Модели должны быть представлены в каждом из этих масштабов. Масштаб скорости представлен кинетической энергией турбулентности k, описываемой уравнением переноса. Уравнение k включает в себя выражение для скорости рассеивания ε; уравнение переноса для ε, обеспечивает модель для этого слагаемого, которое также представляет собой шкалу длины турбулентности. [2], [3]
Модель k-ε надежна и не требует больших вычислений. Однако это действительно только для полностью турбулентных потоков. Поэтому он подходит для начальных итераций и параметрических исследований. Он плохо работает со сложными потоками, включающими сильный или неблагоприятный градиент давления, отрывы и сильные кривизны линии потока. Кроме того, она вызывает проблемы на границах.
k-ω Турбулентность Model
Модель k-o энергия). Лучший результат диссипации дает модели k-ω преимущество перед моделью k-ε в пристенной области. Она также показывает хорошие характеристики при свободном сдвиге и текучести при низких числах Рейнольдса. Он больше подходит для сложных потоков в граничном слое и отрыва во внешней аэродинамике (тем не менее, отрыв потока, как правило, считается слишком чрезмерным и ранним, и поэтому требует высокого разрешения сетки вблизи стены). Его можно использовать также для промежуточных потоков.
Модели с двумя уравнениями содержат множество допущений и откалиброваны так, чтобы они работали хорошо только в соответствии с хорошо известными характеристиками приложений, для решения которых они предназначены. Тем не менее, они доказали свою прочность и широко используют в Промышленных расчётах CFD.
Global Гибридные модели для Turbulence
Идея глобальных гибридных моделей заключается в том, чтобы воспользоваться преимуществами доступных моделей RANS и LES. Метод RANS применяется для части граничного слоя, где LES имеет высокие вычислительные затраты, а остальная часть потока с большими завихрениями разрешается с помощью LES, где RANS не может хорошо моделировать анизотропные турбулентные конструкции. Другими словами, области, в которых турбулентный масштаб длины меньше, чем максимальный размер решетки, присваивается режим решения RANS. Поскольку масштаб турбулентной длины превышает размер сетки, области рассчитываются с помощью метода LES, что значительно снижает вычислительные затраты, но при этом предлагает некоторые преимущества метода LES в отдельных областях.
Spalart-Allmaras DDES Model
При расчете нестационарного потока (только в RWIND 3 Pro) используется глобальная гибридная модель «Spalart-Allmaras моделирования вихрей с запаздыванием», см. turbuchenie-des-spalart-allmaras-ddes.html Openfoam®].
Основное улучшение «моделирования отложенного турбулентного вихря» (DDES) заключается в том, что информация о турбулентной вязкости будет включена в механизм переключения для передачи этого переключения в граничных слоях на потом. Система RANS «закрывается» одним уравнением переноса вихревой вязкости по «модели Спаларт-Алльмарас» с включенным масштабированием длины модели до расстояния до стены.
Модель турбулентности, состоящая из одного уравнения Споларта-Аллмараса, которая решает смоделированное уравнение переноса для турбулентной вязкости νT. Уравнение находит объяснение Споларта-Аллмараса, подобную вязкостной переменной ©. Проще говоря, переменную ν легче рассчитать, чем напрямую νT, поэтому переменная ε сначала будет рассчитана численно. Затем турбулентная вязкость νT рассчитывается (корректируется) с помощью ε, и, наконец, νT прибавляется к уравнениям импульса, чтобы замкнуть систему уравнений и можно ее решить. Подробное описание можно найти https://cfdisrael.blog/2017/04/26/analysis-the-spalart-allmaras-model/здесь.
Турбулентность - одно из сложнейших природных явлений, которое трудно поддается точному определению. В литературе дается много определений, например, включенное в {%ref#Refer [1]]]: «Движение жидкости описывается как турбулентное, если оно является трехмерным, вращательным, прерывистым, сильно неупорядоченным, стыковым и диссипативным». Если вы хотите изучить это сложное явление и заглянуть под шляпу, мы рекомендуем вам это - Введение в турбулентность.
Для полного учета турбулентности с помощью численного моделирования необходимо решить уравнения движения потока жидкости во всех пространственных и временных масштабах. Данный метод называется «прямое численное моделирование» (TNS). Однако для промышленных приложений требуемые вычислительные ресурсы, значительно превышают возможности самых мощных доступных в настоящее время суперкомпьютеров.
Вместо этого RWIND 3 использует другой метод, например, скорость или давление, разложенные на средние (усредненные) компоненты и колебательные компоненты. Другими словами, определяющие уравнения движения жидкости усредняются для удаления мелкого масштаба, что приводит к измененной системе уравнений, которые являются менее трудоемкими в вычислительном отношении для решения. Эти уравнения затем называются "усредненными по Рейнольдсу уравнениями Навье-Стокса" (RANS).
Для расчета RANS в программе RWIND 3 используется модель турбулентности k –ε {%://#Refer [2]]], которая вводит два уравнения переноса для свойств турбулентности: Первое - это уравнение переноса кинетической энергии турбулентности k, а второе уравнение определяет перенос скорости диссипации ε k. Данный метод представляет собой наиболее используемую и проверенную модель для расчетов CFD. Надежность, экономичность и разумная точность для широкого спектра применений турбулентных потоков объясняют его широкое применение при моделировании промышленных потоков. Кроме того, RWIND 3 предлагает в качестве альтернативы модель турбулентности k –ω (см.
С помощью «Моделирования крупных турбулентных потоков» (LES) можно разрешаться относительно крупномасштабных турбулентных конструкций, как в (TNS). Моделируются мелкомасштабные конструкции, называемые суб-масштабной решеткой.
В разделе «Расчет нестационарных потоков» dokumenty/rukovodstva/novosti/doc/guide-turbuchenie-des-spalart-allmaras-ddes.html Openfoam®]. В данной модели мы попытаемся рассмотреть пристенные области по методу RANS, а остальной поток - по LES. Другими словами, области, в которых турбулентный масштаб длины меньше, чем максимальный размер решетки, присваивается режим решения RANS. Поскольку масштаб турбулентной длины превышает размер сетки, области разрешаются с помощью режима LES.