The Rola inżyniera dynamiki płynów na stronie Platforma 3DEXPERIENCE umożliwia użytkownikom wybór pomiędzy trzema modelami turbulencji: Spalart-Allmaras, SST k-ω i Realizable k-ε. W tym artykule podzielimy je, aby pomóc Państwu lepiej zrozumieć różnice między nimi oraz mocne strony i ograniczenia każdego z nich.
Czym są modele turbulencji?
Modele turbulencji to modele matematyczne wykorzystywane w obliczeniowej dynamice płynów (CFD) do symulacji przepływu turbulentnego. Przepływ turbulentny charakteryzuje się turbulentnymi wirami lub wirami generowanymi przez ruch płynu. Wiry te mają rozmiar od kilkukrotnie większego od wielkości domeny przepływu do skali molekularnej. Poniższy obraz przedstawia rozwój wirów turbulencyjnych pary generatorów wirów.
Modele turbulencji próbują opisać zachowanie tych wirów i ich interakcje oraz zapewniają sposób przewidywania wpływu turbulencji na ogólne zachowanie przepływu. Istnieje kilka rodzajów modeli turbulencji, ale większość z nich opiera się na koncepcji lepkości wirowej, która mierzy turbulentny transfer pędu między sąsiednimi warstwami płynu. W modelach tych zakłada się, że wiry turbulentne zachowują się jak efektywny płyn o lepkości znacznie wyższej niż lepkość molekularna płynu.
Modele turbulencji są niezbędne do symulacji wielu praktycznych zastosowań inżynieryjnych, takich jak projektowanie samolotów, samochodów i procesów przemysłowych. Należy jednak pamiętać, że modele turbulencji są uproszczonymi reprezentacjami złożonego zjawiska fizycznego, a wiele czynników może wpływać na dokładność ich prognoz. W rezultacie wybór i walidacja modelu turbulencji dla konkretnego zastosowania wymaga pewnego zrozumienia podstawowej fizyki i starannego rozważenia mocnych stron i ograniczeń modelu, w czym pomoże niniejszy artykuł.
Porównania
Model Spalarta-Allmarasa jest modelem jednorównaniowym, który wykorzystuje pojedyncze równanie transportu dla lepkości turbulentnej, dzięki czemu jest wydajny obliczeniowo dla przepływów o niskiej liczbie Reynoldsa. Ma on jednak ograniczenia dla przepływów o wysokiej liczbie Reynoldsa, a na jego dokładność mogą wpływać złożone cechy przepływu, takie jak separacja przepływu i gradienty ciśnienia. W przemyśle aerodynamicznym model ten jest standardem branżowym.
Model SST k-ω to model z dwoma równaniami, który łączy model k-ω w pobliżu ściany i model k-ε w zewnętrznej warstwie warstwy granicznej, zapewniając dokładne prognozy zarówno dla przepływów o niskiej, jak i wysokiej liczbie Reynoldsa. Pozwala to na lepsze przewidywanie tarcia naskórkowego i innych zachowań warstwy granicznej. Zawiera również funkcję mieszania, która przełącza się między dwoma modelami w obszarze przejściowym, dzięki czemu jest bardziej wszechstronny niż inne modele. Model SST k-ω może wymagać starannej kalibracji współczynników empirycznych; jednak Dassault Systémes skalibrował współczynniki tak, aby działały w ogólnych zastosowaniach. W razie potrzeby użytkownik może zmodyfikować współczynniki, aby dopasować je do swojej aplikacji. Chociaż model ten może być kosztowny obliczeniowo, jest on „złotym standardem” w branży motoryzacyjnej.
Realizowalny model k-ε to kolejny model dwumianowy, który jest lepszy od standardowego modelu k-ε. Obejmuje on modyfikacje równania szybkości rozpraszania turbulencji, dzięki czemu jest bardziej dokładny fizycznie i zapewnia lepsze prognozy dla przepływów o złożonych cechach, takich jak przepływy wirowe lub obrotowe. Realizowalny model k-ε wymaga jednak wyższego poziomu wiedzy specjalistycznej, a jego wydajność może być wrażliwa na warunki początkowe i warunki brzegowe.
Poniżej znajduje się tabela podsumowująca powyższe informacje.
| Model turbulencji | # Liczba równań | Re Zasięg | Mocne strony | Ograniczenia |
|---|---|---|---|---|
| Spalart-Allmaras | One | Niski | Wydajny obliczeniowo, odpowiedni dla przepływów o niskiej liczbie Reynoldsa. Aerodynamika | Ograniczona dokładność dla przepływów o wysokiej liczbie Reynoldsa, wrażliwa na złożone cechy przepływu |
| SST k-ω | Dwa | Niski do wysokiego | Wszechstronne, dokładne prognozy dla różnych reżimów przepływu, funkcja mieszania dla efektywnego modelowania zachowania w pobliżu ściany. Motoryzacja | Może być kosztowne obliczeniowo |
| Realizowalne k-ε | Dwa | Niski do wysokiego | Zwiększona dokładność dla złożonych i anizotropowych przepływów z wirującymi lub obracającymi się elementami. Najlepsza dla przepływów wewnętrznych | Wrażliwy na warunki początkowe i brzegowe |
Uwaga: Dassault Systémes okresowo ponownie kalibruje domyślne współczynniki turbulencji, aby zapewnić zgodność wyników z normami eksperymentalnymi i branżowymi.
Podsumowanie
Każdy model turbulencji ma swoje mocne strony i ograniczenia, a wybór odpowiedniego modelu zależy od konkretnego zastosowania i wymaganego poziomu dokładności. The Spalart-Allmaras jest dobrym wyborem dla przepływów o niskiej liczbie Reynoldsa, podczas gdy model SST k-ω jest bardziej wszechstronny i może obsługiwać szerszy zakres reżimów przepływu. Model Realizowalny k-ε model nadaje się do złożonych przepływów z wirującymi lub obracającymi się elementami. Korzystając z roli inżyniera dynamiki płynów, należy dokładnie ocenić wydajność każdego modelu i wybrać najbardziej odpowiednią opcję dla danego zastosowania. W kolejnych częściach tej historii omówimy każdy model i podamy przykłady ich mocnych stron.