مقدمه‌ای بر مدل‌سازی توربولانس (۲)

مقدمه‌ای بر مدل‌سازی توربولانس

مقدمه‌ای بر مدل‌سازی توربولانس (۲)

شبیه‌سازی گردابه

گزینه‌های پیشرفته‌تر برای حل مسائل توربولانس مدل‌های بر پایه‌ی شبیه‌سازی هستند.

این مدل‌ها به وضوح مش بالاتری نیاز دارند و همچنین مدت زمان حل این مدل‌ها به علت آن‌که به صورت unsteady حل می‌شوند، زیاد است.

این مدل‌ها در اصل برای بررسی نواحی بزرگ جدایش و جریان‌های چرخشی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بیشتر بخوانید: مقدمه‌ای بر مدل‌سازی توربولانس (۱)

آپشن‌های این مدل‌ها به ترتیب هزینه عبارتند از (از هزینه کمتر به هزینه بیشتر):

– Scale Adaptive Simulation

– Detached Eddy Simulation

_ Large Eddy Simulation

  • در صورتی که با استفاده از روش RANS شبیه‌سازی خود را انجام داده‌اید و می‌خواهید آن را ارتقا ببخشید، بهترین کار استفاده از Scale Adaptive Simulation برای شبیه‌سازی است. این روش براساس مدل ناپایدار SST RANS بوده با این تفاوت که طول معیار توربولانس محلی (برای مطالعه بیشتر در مورد این پارامتر به انتهای مقاله مراجعه کنید) را محاسبه نموده و با توجه به مقدار این پارامتر، مسئله را حل می‌کند. مزیت این روش آن است که در صورتی که شبکه‌بندی مسئله برای مدل‌سازی RANS کیفیت خوبی داشته باشد دیگر برای استفاده از این روش، نیازی به تغییر شبکه‌بندی نیست. این روش برای برخی از رفتارهای جریان نتایج مشابهی با روش‌های LES و DES می‌دهد و به همین علت نیز این روش به عنوان یک نقطه‌ی شروع برای شبیه‌سازی‌های ناپایدار پیشنهاد می‌شود.
  • در روش DES مسائل با استفاده از RANS در نواحی لایه مرزی و گردابه‌های کوچک‌تر حل می‌شود. این مسئله منجر به حساس بودن این روش به وضوح شبکه‌بندی می‌گردد و به همین علت باید شبکه‌بندی در نواحی لایه مرزی از کیفیت بالایی برخوردار باشد و ناحیه انتقال از لایه مرزی به جریان آزاد نیز باید شبکه‌بندی مناسبی داشته باشد تا حلگر بتواند به خوبی از RANS به LES سوئیچ کند.
  • گران‌ترین روش شبیه‌سازی از بین این سه روش، LES می‌باشد. در این روش باید شبکه‌بندی بسیار ریز باشد و به خصوص در لایه مرزی این مسئله از اهمیت بیشتری برخوردار است. البته از آنجا که در شبکه‌بندی برای استفاده از این روش باید نکات زیادی مورد توجه قرار گیرد، عموما در مقیاس صنعتی از این روش استفاده نمی‌کنند.

طول معیار توربولانس

طول معیار توربولانس یک کمیت فیزیکی است که ابعاد گردابه‌های بزرگ حاوی انرژی در جریان توربولانس توصیف می‌کند.

از این معیار اغلب برای تخمین ویژگی‌های توربولانس در ورودی‌های یک شبیه‌سازی CFD مورد استفاده قرار می‌گیرد.

طول معیار توربولانس را به راحتی می‌توان به ابعاد و اندازه فیزیکی مسئله ارتباط داد و به همین دلیل هم به راحتی می‌توان آن را تخمین زد.

از آنجا که ابعاد گردابه نمی‌تواند بزرگ‌تر از ابعاد مسئله باشد، به طور معمول مقدار طول معیار توربولانس کوچک‌تر از ابعاد فیزیکی مسئله می‌شود.

در مدل k-epsilon مقدار طول معیار توربولانس را می‌توان با استفاده از معادله زیر محاسبه نمود:

البته بعضی از کدهای CFD مثل Fluent، Phoenics و CFD-ACE از معادله دیگری که براساس طول اختلاط است برای محاسه طول معیار توربولانس استفاده می‌کنند.

در نتیجه از معادله‌ای که در ادامه آورده شده است مقدار طول معیار محاسبه می‌گردد.