در این مقاله بر روی مدل‌سازی توربولانس تمرکز خواهیم کرد.
توربولانس برای مهندس سیالاتی که با دینامیک سیالات محاسباتی در ابعاد صنعتی سروکار دارد، از اهمیت خاصی برخوردار است.
حلگرهای ANSYS CFD معادلات ناویراستوکس و پایستگی جرم را حل می‌کنند.
علاوه بر معادلات پایستگی جرم و مومنتوم و انرژی که در بالا آورده شده بود، معادلات توربولانس نیز باید در نظر گرفته شوند تا بتوانیم مدل‌سازی توربولانس را انجام دهیم.
می‌توان از روش RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) و یا روش شبیه‌سازی گردابه (Eddy Simulation Technique) برای مدل‌سازی استفاده کرد.
روش شبیه‌سازی گردابه،گردابه‌های بزرگ‌تر را تجزیه می‌کند و فقط زمانی مورد نیاز است که در مدل مورد نظر جدایش و یا نواحی بزرگی با جریان بازگشتی وجود داشته باشد.
از آنجا که مدل‌های RANS مدت زمان پردازش کمتری دارند، عموما بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
روش‌های شبیه‌سازی گردابه به شبکه‌بندی حساس هستند اما در مورد جدایش و جریان بازگشتی جواب‌های مناسب‌تری می‌دهند.
مدل‌های RANS روش تجزیه رینولدز را بر معادلات ناویراستوکس اعمال می‌کنند.
به عبارتی این روش مولفه سرعت را به دو قسمت میانگین سرعت و بخش‌های در حال تغییر (نوسان) می‌شکند.
این کار منجر به تولید یک مجهول می‌شود که به تنش رینولدز (Reynolds Stress) معروف است.
برای حل تنش رینولدز از مدل‌های توربولانس استفاده می‌شود.
برای حل تنش رینولدز دو روش وجود دارد، در روش اول که به عنوان مدل لزجت گردابه (Eddy Viscosity Model) شناخته می‌شود و نسبت به روش دوم نیز متداول‌تر است، برای مقدار لزجت توربولانس یک مقدار ایزوتروپیک در نظر گرفته می‌شود اما در روش دوم برای حل هر یک از ۶ تنش رینولدز به طور جداگانه از مدل تنش رینولدز (Reynolds Stress Model or RSM) استفاده می‌شود و بنابراین این روش غیرایزوتروپیک است.
مدل‌های لزجت گردابه
محدودیت این مدل‌ها در استفاده آن‌ها از یک مقدار ایزوتروپیک برای لزجت توربولانس است و این مسئله ممکن است منجر به افزایش پخش توربولانس در نتایج شود. واضح است که محاسبه ۶ تنش رینولدز منجر به مدل‌سازی دقیق‌تری می‌شود اما از آنجا که تعداد معادلات بیشتر شده است مدت زمان محاسبات افزایش می‌یابد.
در ادامه مدل‌های لزجت گردابه‌ای که عموما بیشتر استفاده می‌شوند آورده شده است:
Spalart-Allmaras:
مدل تک معادله‌ای است که به طور خاص برای کاربردهای هوافضایی طراحی شده است و در مسائل توربوماشین هم محبوبیت خوبی به‌دست آورده است.
k-epsilon:
مدلی دو معادله‌ای است که برای رفتار جریان در نواحی‌ای که با دیواره محدود نشده است، و در نتیجه شرط عدم لغزشی وجود ندارد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. (استاندارد صنعتی قدیمی)
k-omega:
مدل دو معادله‌ای است که برای جریان‌هایی که با دیواره محدود شده‌اند مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته این مدل خیلی متداول نیست.
SST(Shear Stress Transport):
این مدل دو معادله‌ای، ترکیبی از مزایای جریان آزاد مدل k-epsilon و جریان محدود به دیواره‌ی مدل k-omega است. این مدل، استاندارد صنعتی جدیدی است که در اغلب کاربردها بهتر است به صورت پیش‌فرض استفاده شود.
اصلاحات Curvature Correction که روی مدل SST انجام شده است، باعث شده نتایج حاصل از این مدل با نتایج حاصل از مدل RSM قابل قیاس باشد.
برای فعال کردن Curvature Correction در ANSYS-Fluent مراحل زیر را طی کنید:
Setup>models > viscous> Transition SST (4 eqn) > Curvature Correction
و برای فعال کردن این بخش در ANSYS-CFX مطابق مسیر زیر پیش بروید:
Setup > Default Domain > Fluid Models > Turbulence > Option > Shear Stress Transport > Advanced Turbulence Control > Curvature Correction
گزینه‌هایی مانند Curvature Correction برای حل مسائلی که در گذشته نیاز به مدل RSM داشتند بسیار مفید هستند.
مدل‌های تنش رینولدز
این مدل‌ها به طور گسترده‌ای برای جریان‌های به شدت چرخشی مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما امروزه با وجود انتخاب Curvature Correction، استفاده از مدل SST به همراه فعال‌سازی این گزینه توصیه می‌گردد.