Моделирование турбулентности - обзор различных используемых методов

Моделирование турбулентности - обзор различных используемых методов

Khelifa Hami

Лаборатория экологических и энергетических систем, Институт науки и технологий, Университетский центр Али КАФИ Тиндуф,

Тиндуф 37000, Алжир

Аннотация

Эта публикация представляет собой критический взгляд на преимущества и ограничения набора математических моделей физических явлений турбулентности. Модели турбулентности можно разделить на две категории, в зависимости от способа расчета турбулентных величин: модели прямого численного моделирования (DNS) и модели RANS (Осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса). Недостатком этих моделей является то, что они требуют огромных вычислительных мощностей, недоступных, особенно для больших и сложных геометрий. По этой причине были разработаны гибридные модели (комбинации между методами DNS и RANS), например, модели LES ("Моделирование больших вихрей") или DES ("Моделирование отдельных вихрей"). Они представляют собой компромисс - менее точны, чем DNS, но более точны, чем RANS модели. Результаты, представленные в этом материале, позволят и облегчат будущее исследование в этой области в выборе модельного подхода, необходимого для конкретных исследований, независимо от их фактора сложности.

Введение

Численное моделирование может быть очень полезным для исследований, поскольку аналитические вычисления здесь остаются малоэффективными. Однако было бы неразумно рассматривать этот подход в качестве единственного пути; действительно, моделирование потоков скорее дополняет испытания на месте или по модели.

В ходе исследования CFD часто вмешивается в процесс разработки, а затем избавляет производителей от необходимости изготавливать многочисленные и, прежде всего, дорогостоящие прототипы.  Затем его можно охарактеризовать как "виртуальное прототипирование". На самом деле, одним из основных преимуществ численных вычислений является возможность варьирования геометрических, динамических или термофизических параметров рассматриваемой задачи, избегая повторения долгих и громоздких экспериментов. Затем, на более позднем этапе исследования, это может быть полезно для анализа повреждений, обнаруженных на оборудовании, или для улучшения его характеристик.

CFD (Computational Fluid Dynamics, «Вычислительная гидродинамика») - это раздел гидромеханики, в котором используются численные методы и алгоритмы для анализа и решения задач, связанных с перемещением жидкости. Короче говоря, дифференциальные уравнения, управляющие переносом массы, импульса, турбулентных переменных и энергии, решаются численно.

В настоящее время CFD является очень мощным инструментом, часто используемым в нескольких промышленных и исследовательских областях. При определенных условиях она может дополнить и даже заменить экспериментальные исследования.

В случае задач, математическая модель которых еще недостаточно разработана (она содержит приближения, неопределенности - например, модели турбулентности RANS); CFD можно использовать только после экспериментальной проверки. Это сравнение необходимо для установления степени согласия между численными результатами и реальностью.

По сравнению с экспериментальными исследованиями, CFD предлагает ряд преимуществ:

Снижение стоимости, особенно когда цифровая модель заменяет большую или очень сложную физическую модель.

Скорость: численное моделирование может быть очень быстрым. Несколько конфигураций модели могут быть изучены и сравнены за один день. Экспериментальное исследование заняло бы гораздо больше времени.

Полная информация: все переменные задачи (скорость, температура, давление и т.д.) доступны везде в расчетной области, в то время как в случае эксперимента существует несколько недоступных мест для измерительных приборов. Возможность моделировать условия, труднодостижимые для экспериментов: очень маленькие или очень большие модели, очень высокие или очень низкие температуры, очень медленные или очень быстрые процессы.