Fluid Dynamics Engineer Role sul sito 3DEXPERIENCE Platform consente agli utenti di scegliere tra tre modelli di turbolenza: Spalart-Allmaras, SST k-ω e Realizable k-ε. In questo articolo li scomponiamo per aiutarvi a comprendere meglio le differenze tra loro e i punti di forza e i limiti di ciascuno.
Cosa sono i modelli di turbolenza?
I modelli di turbolenza sono modelli matematici utilizzati nella fluidodinamica computazionale (CFD) per simulare il flusso turbolento. Il flusso turbolento è caratterizzato da vortici generati dal movimento del fluido. Questi vortici hanno dimensioni che vanno da diverse volte la dimensione del dominio del flusso fino alla scala molecolare. L’immagine seguente mostra lo sviluppo dei vortici di turbolenza di una coppia di generatori di vortici.
I modelli di turbolenza cercano di descrivere il comportamento di questi vortici e le loro interazioni e forniscono un modo per prevedere gli effetti della turbolenza sul comportamento generale del flusso. Esistono diversi tipi di modelli di turbolenza, ma la maggior parte si basa sul concetto di viscosità dei vortici, che misura il trasferimento di quantità di moto turbolento tra strati fluidi adiacenti. In questi modelli, si presume che i vortici turbolenti si comportino come un fluido effettivo con una viscosità molto più alta della viscosità molecolare del fluido.
I modelli di turbolenza sono essenziali per la simulazione di molte applicazioni pratiche di ingegneria, come la progettazione di aerei, automobili e processi industriali. Tuttavia, è importante notare che i modelli di turbolenza sono rappresentazioni semplificate di un fenomeno fisico complesso e molti fattori possono influenzare l’accuratezza delle loro previsioni. Di conseguenza, la scelta e la validazione di un modello di turbolenza per un’applicazione specifica richiede una certa comprensione della fisica di base e un’attenta considerazione dei punti di forza e delle limitazioni del modello, che questo articolo vi aiuterà a raggiungere.
Confronti
Il modello di Spalart-Allmaras è un modello a equazione unica che utilizza una singola equazione di trasporto per la viscosità turbolenta, rendendolo efficiente dal punto di vista computazionale per i flussi a basso numero di Reynolds. Tuttavia, presenta dei limiti per i flussi ad alto numero di Reynolds e la sua accuratezza può essere influenzata da caratteristiche complesse del flusso, come la separazione del flusso e i gradienti di pressione. Nel settore dell’aerodinamica, questo modello è lo standard industriale.
Il modello SST k-ω è un modello a due equazioni che combina il modello k-ω vicino alla parete e il modello k-ε nello strato esterno dello strato limite, fornendo previsioni accurate per flussi a basso e alto numero di Reynolds. Ciò consente di prevedere meglio l’attrito cutaneo e altri comportamenti dello strato limite. Include anche una funzione di fusione che passa tra i due modelli nella regione di transizione, rendendolo più versatile di altri modelli. Il modello SST k-ω può richiedere un’attenta calibrazione dei coefficienti empirici; tuttavia, Dassault Systémes ha calibrato i coefficienti in modo che funzionino per applicazioni generali. Se lo si desidera, l’utente può modificare i coefficienti per adattarli alla propria applicazione. Sebbene possa essere costoso dal punto di vista computazionale, questo modello è il “gold standard” dell’industria automobilistica.
Il modello k-ε realizzabile è un altro modello a due equazioni che migliora il modello k-ε standard. Include modifiche all’equazione del tasso di dissipazione della turbolenza, rendendola più accurata dal punto di vista fisico e fornendo previsioni migliori per i flussi con caratteristiche complesse, come i flussi vorticosi o rotanti. Il modello k-ε realizzabile, tuttavia, richiede un livello di competenza più elevato per essere impostato e le sue prestazioni possono essere sensibili alle condizioni iniziali e alle condizioni al contorno.
Di seguito è riportata una tabella che riassume le informazioni di cui sopra.
| Modello di turbolenza | # di equazioni | Re Gamma | Punti di forza | Limitazioni |
|---|---|---|---|---|
| Spalato-Allarme | Uno | Basso | Efficiente dal punto di vista computazionale, adatto a flussi a basso numero di Reynolds. Aerodinamica
| Accuratezza limitata per flussi ad alto numero di Reynolds, sensibile alle caratteristiche complesse del flusso |
| SST k-ω | Due | Da basso ad alto | Versatile, previsioni accurate per vari regimi di flusso, funzione di miscelazione per una modellazione efficace del comportamento vicino alle pareti. Automotive | Può essere computazionalmente costoso |
| Realizzabile k-ε | Due | Da basso ad alto | Accuratezza migliorata per flussi complessi e anisotropi con caratteristiche vorticose o rotanti. Ideale per i flussi interni | Sensibile alle condizioni iniziali e al contorno |
Nota: Dassault Systémes ricalibra periodicamente i coefficienti di turbolenza predefiniti per garantire l’allineamento dei risultati agli standard sperimentali e industriali.
Sintesi
Ogni modello di turbolenza ha i suoi punti di forza e le sue limitazioni e la scelta di un modello adatto dipende dall’applicazione specifica e dal livello di accuratezza richiesto. Il Spalart-Allmaras è una buona scelta per i flussi a basso numero di Reynolds, mentre il modello SST k-ω è più versatile e può gestire una gamma più ampia di regimi di flusso. Il Realizzabile k-ε Il modello si adatta a flussi complessi con caratteristiche vorticose o rotanti. Quando si utilizza il ruolo di Fluid Dynamics Engineer, è necessario valutare attentamente le prestazioni di ciascun modello e scegliere l’opzione più appropriata per una determinata applicazione. Le parti successive di questa storia approfondiranno ogni modello e forniranno esempi dei loro punti di forza.