그만큼 유체 역학 엔지니어 역할 에 3DEXPERIENCE 플랫폼 사용자는 Spalart-Allmaras, SST k-Ω 및 Realised k-ε의 세 가지 난류 모델 중에서 선택할 수 있습니다. 이 기사에서는 이들 간의 차이점과 각각의 강점 및 한계를 더 잘 이해할 수 있도록 이들을 세분화합니다.
난류 모델이란 무엇입니까?
난류 모델은 난류 흐름을 시뮬레이션하기 위해 전산유체역학(CFD)에 사용되는 수학적 모델입니다. 난류 흐름은 유체 운동에 의해 생성된 난류 소용돌이 또는 소용돌이를 특징으로 합니다. 이러한 소용돌이의 크기는 흐름 영역 크기의 몇 배부터 분자 규모까지 다양합니다. 아래 이미지는 한 쌍의 와류 발생기의 난류 와류의 발달을 보여줍니다.
난류 모델은 이러한 소용돌이의 동작과 상호 작용을 설명하고 전반적인 흐름 동작에 대한 난류의 영향을 예측하는 방법을 제공합니다. 난류 모델에는 여러 유형이 있지만 대부분은 인접한 유체 층 사이의 난류 운동량 전달을 측정하는 와류 점도 개념을 기반으로 합니다. 이러한 모델에서 난류 소용돌이는 유체의 분자 점도보다 점도가 훨씬 높은 유효 유체처럼 거동하는 것으로 가정됩니다.
난류 모델은 항공기 설계, 자동차, 산업 프로세스 등 다양한 실제 엔지니어링 응용 프로그램을 시뮬레이션하는 데 필수적입니다. 그러나 난류 모델은 복잡한 물리적 현상을 단순화하여 표현한 것이며 많은 요인이 예측의 정확성에 영향을 미칠 수 있다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 결과적으로, 특정 응용 분야에 대한 난류 모델을 선택하고 검증하려면 기본 물리학에 대한 어느 정도의 이해와 모델의 장점과 한계에 대한 신중한 고려가 필요하며, 이 기사가 도움이 될 것입니다.
비교
Spalart-Allmaras 모델은 난류 점도에 대해 단일 전달 방정식을 사용하는 단일 방정식 모델로, 낮은 레이놀즈 수 흐름에 대해 계산적으로 효율적입니다. 그러나 레이놀즈 수가 높은 흐름에 대해서는 제한이 있으며 흐름 분리 및 압력 구배와 같은 복잡한 흐름 기능에 의해 정확도가 영향을 받을 수 있습니다. 공기역학 산업에서는 이 모델이 업계 표준입니다.
SST k-Ω 모델은 벽 근처의 k-Ω 모델과 경계층 외부 레이어의 k-ε 모델을 결합한 2방정식 모델로, 낮은 레이놀즈 수 흐름과 높은 레이놀즈 수 흐름 모두에 대한 정확한 예측을 제공합니다. 이를 통해 피부 마찰 및 기타 경계층 동작을 효과적으로 예측할 수 있습니다. 또한 전환 영역에서 두 모델을 전환하는 블렌딩 기능도 포함되어 있어 다른 모델보다 활용도가 높습니다. SST k-Ω 모델에는 경험적 계수에 대한 세심한 보정이 필요할 수 있습니다. 그러나 Dassault Systémes는 일반 응용 분야에 적합하도록 계수를 보정했습니다. 원하는 경우 사용자는 자신의 용도에 맞게 계수를 수정할 수 있습니다. 계산 비용이 많이 들 수 있지만 이 모델은 자동차 산업의 “최적 표준”입니다.
Realised k-ε 모델은 표준 k-ε 모델보다 개선된 또 다른 2차 방정식 모델입니다. 여기에는 난류 소산율 방정식의 수정이 포함되어 있어 물리적으로 더욱 정확해지고 소용돌이 또는 회전 흐름과 같은 복잡한 특징이 있는 흐름에 대해 더 나은 예측을 제공합니다. 그러나 Realised k-ε 모델을 설정하려면 더 높은 수준의 전문 지식이 필요하며 성능은 초기 조건 및 경계 조건에 민감할 수 있습니다.
아래는 위의 정보를 요약한 표입니다.
| 난류 모델 | 방정식의 수 | 답장 범위 | 강점 | 제한사항 |
|---|---|---|---|---|
| 스팔르트-알마라스 | 하나 | 낮은 | 계산적으로 효율적이며 낮은 레이놀즈 수 흐름에 적합합니다. 공기역학 | 높은 레이놀즈 수 흐름에 대한 제한된 정확도, 복잡한 흐름 기능에 민감 |
| SST k-Ω | 둘 | 낮음에서 높음 | 다양한 흐름 영역에 대한 다양하고 정확한 예측, 벽 근처 동작의 효과적인 모델링을 위한 혼합 기능. 자동차 | 계산 비용이 많이 들 수 있음 |
| 실현 가능한 k-ε | 둘 | 낮음에서 높음 | 소용돌이 또는 회전 기능이 포함된 복잡하고 이방성 흐름에 대한 정확도가 향상되었습니다. 내부 흐름에 가장 적합 | 초기 및 경계 조건에 민감함 |
메모: Dassault Systémes는 기본 난류 계수를 정기적으로 재보정하여 결과가 실험 및 산업 표준에 부합하는지 확인합니다.
요약
각 난류 모델에는 고유한 장점과 한계가 있으며 적합한 모델을 선택하는 것은 특정 응용 분야와 필요한 정확도 수준에 따라 다릅니다. 그만큼 스팔르트-알마라스 모델은 낮은 레이놀즈 수 흐름에 적합한 선택입니다. SST k-Ω 모델은 더 다양하며 더 넓은 범위의 흐름 방식을 처리할 수 있습니다. 그만큼 실현 가능한 k-ε 모델은 소용돌이 또는 회전 기능이 있는 복잡한 흐름에 적합합니다. 유체 역학 엔지니어 역할을 사용할 때는 각 모델의 성능을 신중하게 평가하고 해당 응용 분야에 가장 적합한 옵션을 선택해야 합니다. 이 이야기의 다음 부분에서는 각 모델을 자세히 살펴보고 해당 모델의 장점에 대한 예를 제공합니다.