Akışkanlar Dinamiği Mühendisi Rolü üzerinde 3DEXPERIENCE Platformu kullanıcıların üç türbülans modeli arasında seçim yapmasına olanak tanır: Spalart-Allmaras, SST k-ω ve Gerçekleştirilebilir k-ε. Bu makalede, aralarındaki farkları ve her birinin güçlü yönlerini ve sınırlamalarını daha iyi anlamanıza yardımcı olmak için bunları parçalara ayıracağız.
Türbülans Modelleri Nelerdir?
Türbülans modelleri, Türbülanslı akışı simüle etmek için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği'nde (CFD) kullanılan matematiksel modellerdir. Türbülanslı akış, akışkan hareketinin oluşturduğu türbülanslı girdaplar veya girdaplar ile karakterize edilir. Bu girdapların boyutları, akış alanının birkaç katı büyüklüğünden moleküler ölçeğe kadar değişir. Aşağıdaki resim bir çift girdap üretecinin türbülans girdaplarının gelişimini göstermektedir.
Türbülans modelleri, bu girdapların davranışını ve bunların etkileşimlerini tanımlamaya çalışır ve türbülansın genel akış davranışı üzerindeki etkilerini tahmin etmenin bir yolunu sağlar. Çeşitli türbülans modelleri vardır, ancak çoğu, bitişik sıvı katmanları arasındaki türbülanslı momentum transferini ölçen girdap viskozitesi kavramına dayanmaktadır. Bu modellerde türbülanslı girdapların, akışkanın moleküler viskozitesinden çok daha yüksek viskoziteye sahip etkili bir akışkan gibi davrandığı varsayılmaktadır.
Türbülans modelleri, uçak tasarımı, otomobiller ve endüstriyel süreçler gibi birçok pratik mühendislik uygulamasını simüle etmek için gereklidir. Ancak türbülans modellerinin karmaşık bir fiziksel olgunun basitleştirilmiş temsilleri olduğunu ve birçok faktörün tahminlerin doğruluğunu etkileyebileceğini unutmamak önemlidir. Sonuç olarak, belirli bir uygulama için bir türbülans modelinin seçilmesi ve doğrulanması, altta yatan fiziğin biraz anlaşılmasını ve modelin güçlü yönlerinin ve sınırlamalarının dikkatli bir şekilde değerlendirilmesini gerektirir; bu makale buna yardımcı olacaktır.
Karşılaştırmalar
Spalart-Allmaras modeli, türbülanslı viskozite için tek bir taşıma denklemi kullanan, düşük Reynolds sayılı akışlar için hesaplama açısından verimli hale getiren tek denklemli bir modeldir. Bununla birlikte, yüksek Reynolds sayılı akışlar için sınırlamaları vardır ve doğruluğu, akış ayrımı ve basınç gradyanları gibi karmaşık akış özelliklerinden etkilenebilir. Aerodinamik endüstrisinde bu model endüstri standardıdır.
SST k-ω modeli, duvar yakınındaki k-ω modelini ve sınır katmanının dış katmanındaki k-ε modelini birleştiren, hem düşük hem de yüksek Reynolds sayısı akışları için doğru tahminler sağlayan iki denklemli bir modeldir. Bu, yüzey sürtünmesinin ve diğer sınır tabakası davranışının üstün bir şekilde tahmin edilmesini sağlar. Ayrıca geçiş bölgesindeki iki model arasında geçiş yapan ve onu diğer modellere göre daha çok yönlü hale getiren bir karıştırma işlevi de içerir. SST k-ω modeli ampirik katsayıların dikkatli bir şekilde kalibre edilmesini gerektirebilir; ancak Dassault Systémes, katsayıları genel uygulamalarda çalışacak şekilde kalibre etmiştir. İstenirse kullanıcı katsayıları kendi uygulamasına uyacak şekilde değiştirebilir. Hesaplama açısından pahalı olsa da bu model otomotiv endüstrisinde “altın standarttır”.
Gerçekleştirilebilir k-ε modeli, standart k-ε modeline göre iyileşen başka bir iki denklemli modeldir. Türbülans dağılım hızı denkleminde, onu fiziksel olarak daha doğru hale getiren ve girdaplı veya dönen akışlar gibi karmaşık özelliklere sahip akışlar için daha iyi tahminler sağlayan değişiklikler içerir. Ancak Gerçekleştirilebilir k-ε modelinin kurulması daha yüksek düzeyde uzmanlık gerektirir ve performansı başlangıç koşullarına ve sınır koşullarına duyarlı olabilir.
Aşağıda yukarıdaki bilgileri özetleyen bir tablo bulunmaktadır.
| Türbülans Modeli | Denklem Sayısı | Tekrar Menzil | Güçlü | Sınırlamalar |
|---|---|---|---|---|
| Spalart-Allmaras | Bir | Düşük | Hesaplama açısından verimlidir ve düşük Reynolds sayısı akışlarına uygundur. Aerodinamik | Yüksek Reynolds sayılı akışlar için sınırlı doğruluk, karmaşık akış özelliklerine duyarlı |
| SST k-ω | İki | Alçaktan yükseğe | Çeşitli akış rejimleri için çok yönlü, doğru tahminler, duvara yakın davranışın etkili modellenmesi için harmanlama işlevi. Otomotiv | Hesaplama açısından pahalı olabilir |
| Gerçekleştirilebilir k-ε | İki | Alçaktan yükseğe | Dönen veya dönen özelliklere sahip karmaşık ve anizotropik akışlar için geliştirilmiş doğruluk. İç akışlar için en iyisi | Başlangıç ve sınır koşullarına duyarlı |
Not: Dassault Systémes, sonuçların deneysel ve endüstri standartlarıyla uyumlu olmasını sağlamak için varsayılan türbülans katsayılarını periyodik olarak yeniden kalibre eder.
Özet
Her türbülans modelinin kendine has güçlü yönleri ve sınırlamaları vardır ve uygun bir modelin seçilmesi, spesifik uygulamaya ve gereken doğruluk düzeyine bağlıdır. Spalart-Allmaras modeli düşük Reynolds sayısı akışları için iyi bir seçimdir. SST k-ω Model daha çok yönlüdür ve daha geniş bir akış rejimi aralığını işleyebilir. Gerçekleştirilebilir k-ε model, dönen veya dönen özelliklere sahip karmaşık akışlara uygundur. Akışkanlar Dinamiği Mühendisi Rolünü kullanırken, her modelin performansı dikkatli bir şekilde değerlendirilmeli ve verilen uygulama için en uygun seçenek seçilmelidir. Bu hikayenin sonraki bölümlerinde her model ayrıntılı olarak incelenecek ve güçlü yönlerine ilişkin örnekler sunulacaktır.