El El papel del ingeniero en dinámica de fluidos en la Plataforma 3DEXPERIENCE permite a los usuarios seleccionar entre tres modelos de turbulencia: Spalart-Allmaras, SST k-ω y Realizable k-ε. En este artículo, los desglosaremos para ayudarle a comprender mejor las diferencias entre ellos y los puntos fuertes y limitaciones de cada uno.
¿Qué son los modelos de turbulencia?
Los modelos de turbulencia son modelos matemáticos utilizados en la dinámica de fluidos computacional (CFD) para simular el flujo turbulento. El flujo turbulento se caracteriza por remolinos o vórtices turbulentos generados por el movimiento del fluido. El tamaño de estos remolinos varía desde varias veces el tamaño del dominio del flujo hasta la escala molecular. La imagen inferior muestra el desarrollo de vórtices de turbulencia de un par de generadores de vórtices.
Los modelos de turbulencia intentan describir el comportamiento de estos remolinos y sus interacciones y proporcionan una forma de predecir los efectos de la turbulencia en el comportamiento general del flujo. Existen varios tipos de modelos de turbulencia, pero la mayoría se basan en el concepto de viscosidad de los remolinos, que mide la transferencia de momento turbulento entre capas de fluido adyacentes. En estos modelos, se supone que los remolinos turbulentos se comportan como un fluido efectivo con una viscosidad mucho mayor que la viscosidad molecular del fluido.
Los modelos de turbulencia son esenciales para simular muchas aplicaciones prácticas de ingeniería, como el diseño de aviones, automóviles y procesos industriales. Sin embargo, es importante tener en cuenta que los modelos de turbulencia son representaciones simplificadas de un fenómeno físico complejo y que muchos factores pueden afectar a la precisión de sus predicciones. Como resultado, seleccionar y validar un modelo de turbulencia para una aplicación específica requiere cierta comprensión de la física subyacente y una cuidadosa consideración de los puntos fuertes y las limitaciones del modelo, algo a lo que este artículo ayudará.
Comparaciones
El modelo Spalart-Allmaras es un modelo de una sola ecuación que utiliza una única ecuación de transporte para la viscosidad turbulenta, lo que lo hace eficiente desde el punto de vista computacional para flujos con bajo número de Reynolds. Sin embargo, tiene limitaciones para flujos con números de Reynolds altos, y su precisión puede verse afectada por características complejas del flujo, como la separación de flujos y los gradientes de presión. En la industria aerodinámica, este modelo es el estándar del sector.
El modelo k-ω de SST es un modelo de dos ecuaciones que combina el modelo k-ω cerca de la pared y el modelo k-ε en la capa exterior de la capa límite, proporcionando predicciones precisas tanto para flujos de bajo como de alto número de Reynolds. Esto permite una predicción superior de la fricción de la piel y otros comportamientos de la capa límite. También incluye una función de mezcla que cambia entre los dos modelos en la región de transición, lo que lo hace más versátil que otros modelos. El modelo SST k-ω puede requerir una calibración cuidadosa de los coeficientes empíricos; sin embargo, Dassault Systémes ha calibrado los coeficientes para que funcionen en aplicaciones generales. Si lo desea, el usuario puede modificar los coeficientes para adaptarlos a su aplicación. Aunque puede resultar caro desde el punto de vista computacional, este modelo es el «patrón oro» en la industria del automóvil.
El modelo k-ε realizable es otro modelo de dos ecuaciones que mejora el modelo k-ε estándar. Incluye modificaciones en la ecuación de la tasa de disipación de la turbulencia, lo que lo hace más preciso desde el punto de vista físico y proporciona mejores predicciones para flujos con características complejas, como los flujos en remolino o en rotación. El modelo k-ε realizable, sin embargo, requiere un mayor nivel de conocimientos para su puesta a punto, y su rendimiento puede ser sensible a las condiciones iniciales y de contorno.
A continuación encontrará una tabla que resume la información anterior.
| Modelo de turbulencia | # Número de ecuaciones | Re Alcance | Puntos fuertes | Limitaciones |
|---|---|---|---|---|
| Spalart-Allmaras | Un | Bajo | Computacionalmente eficiente, adecuado para flujos con bajo número de Reynolds. Aerodinámica | Precisión limitada para flujos con alto número de Reynolds, sensible a las características complejas del flujo |
| SST k-ω | Dos | De menor a mayor | Versátil, predicciones precisas para varios regímenes de flujo, función de mezcla para un modelado eficaz del comportamiento próximo a la pared. Automoción | Puede ser costoso computacionalmente |
| k-ε realizable | Dos | De menor a mayor | Precisión mejorada para flujos complejos y anisótropos con características de remolino o rotación. Mejor para flujos internos | Sensible a las condiciones iniciales y de contorno |
Nota: Dassault Systémes recalibra periódicamente los coeficientes de turbulencia por defecto para garantizar que los resultados se ajustan a las normas experimentales y del sector.
Resumen
Cada modelo de turbulencia tiene sus propios puntos fuertes y limitaciones, y la selección de un modelo adecuado depende de la aplicación específica y del nivel de precisión requerido. El sitio Spalart-Allmaras es una buena elección para flujos con bajo número de Reynolds, mientras que el modelo SST k-ω es más versátil y puede manejar una gama más amplia de regímenes de flujo. El modelo k-ε realizable El modelo se adapta a flujos complejos con características de remolino o rotación. Cuando se utiliza el rol de ingeniero en dinámica de fluidos, hay que evaluar cuidadosamente el rendimiento de cada modelo y elegir la opción más adecuada para cada aplicación. En las siguientes partes de esta historia se profundizará en cada modelo y se ofrecerán ejemplos de sus puntos fuertes.