Aerodinamik araç gövdesinde CFD analizi için hangi türbülans modelleri uygundur?

Birçok ticari ve açık kaynaklı CFD kodu, Reynolds ortalamalı Navier-Stokes (RANS) denklemlerinin doğrusal olmayan konvektif hızlanma terimi için çeşitli kapatma yöntemleri uygular. Yaygın yöntemler ( türbülans modelleri olarak da bilinir ) şunları içerir:

• Spalart – Allmaras (S – A)
• k – ε (k – epsilon)
• k – ω (k – omega)
• SST (Menter Kayma Gerilmesi Taşımacılığı)
• Reynolds gerilme denklemi modeli

Bunlardan hangisi aerodinamik bir araç gövdesinin CFD simülasyonu için uygundur? Simülasyonların amacı, aerodinamik sürükleme kuvvetlerini en aza indirmek için vücut şeklinin iyileştirilmesine rehberlik etmektir. Örnek bir cevap, kısaca bu simülasyon uygulaması için her yöntemin avantajlarını ve dezavantajlarını özetlemektedir.

Potansiyel olarak yararlı ayrıntılar:

Araç, yaklaşık boyutları olan küçük tek kişilik bir araçtır

• L = 2,5 m,
• G = 0,7 m ve
• H = 0.5 m.

0 m / s ile yaklaşık 12 m / s arasındaki hızlarda hareket edecektir. Üç tekerleğin hepsi gövde zarfı ile çevrelenmiştir ve araç, gövde kabuğunun yol yüzeyinin 1 cm'sine kadar uzandığı tekerleklerin dışında yaklaşık 15 cm'lik bir yerden açıklığa sahiptir.

Normalde bu hızlardaki aerodinamik kuvvetler neredeyse göz ardı edilebilir, ancak bu aracın yumuşak bir yolda "Süper Kilometre" yarışmasında yarışacak şekilde tasarlandığını, çok hafif olduğunu ve düşük sürtünmeli aktarma organları bileşenlerini kullandığını varsayalım, bu yüzden aerodinamik güçlerin ulaşılabilir yakıt tüketimi üzerinde önemli bir etkisi vardır.

Türbülans modeli simülasyonunuzda büyük bir fark yaratabilir . Etrafta birçok türbülans modeli var. Bunlardan birini seçmek zor bir iş haline gelir.

Mükemmel türbülans modeli yoktur. Her şey Reynold sayısı, akışın ayrılıp ayrılmadığı, basınç gradyanları, sınır tabakası kalınlığı ve benzeri gibi birkaç parametreye bağlıdır. Bu cevapta, birkaç popüler model hakkında kısa bilgiler, artıları ve eksileri ve potansiyel uygulamaları ile birlikte verilmektedir. Bununla birlikte, ilgilenen kullanıcılar türbülans modellemesi hakkında daha fazla bilgi edinmek için bu mükemmel NASA web sitesini ve referanslarını görebilirler .

A) BİR DENKLEM MODELİ:

1. Spalart-Allmaras

Bu model, Spalart-Allmaras viskozitesi için bir ek değişken için çözer. Göre bir NASA belgede , belirli amaçlar için hedeflenen bu modelde birçok değişiklikler vardır.

Artıları : Daha az bellek yoğun, Çok sağlam, hızlı yakınsama

Eksileri : Ayrılmış akış, serbest kesme katmanları, çürüyen türbülans, karmaşık iç akışlar için uygun değildir

Kullanım Alanları : Sınır katmanlardaki hesaplamalar, hafif veya ayrılma yoksa tüm akış alanı, havacılık ve otomobil uygulamaları, daha yüksek modele geçmeden önce ilk hesaplamalar için, sıkıştırılabilir akış hesaplamaları

Durumunuza uygulanabilirlik : simülasyon süresini azaltmak için iyi bir aday. Bu model ile sürüklemeyi oldukça iyi tahmin edebilirsiniz. Ancak, akış ayırma bölgesini bilmekle ilgileniyorsanız, bu model son derece doğru sonuçlar vermeyecektir.

________________________________________________________________________________

B) İKİ DENKLEM MODELİ:

1. $k$ - türbülans modeli:$\epsilon$

Bir genel amaçlı modeli. Bu model kinetik enerji ( ) ve türbülanslı yayılım ( ) için çözer . Bu modeller için denklemler bu cfd-online sayfasında bulunabilir. Bu model , uygulama için duvar fonksiyonlarının hesaplanmasını gerektirir . Sadece tamamen türbülanslı akışlar için uygundur.$k$$\epsilon$

Artıları : uygulaması kolay, hızlı yakınsama, birçok pratik durumda akışı tahmin eder, harici aerodinamik için iyi

Eksileri : Eksen simetrik jetler, girdap akışları ve güçlü ayırma için uygun değildir. Olumsuz basınç gradyanları için çok düşük hassasiyet, başlaması zor (Spalart-Allmaras ile başlatılması gerekir), duvara yakın uygulamalar için uygun değildir

Kullanım Alanları : İlk iterasyonlar için uygundur, karmaşık geometriler etrafındaki dış akışlar için iyidir, kesme katmanları ve serbest duvarla sınırlı olmayan akışlar için iyidir

Sizin durumunuzda uygulanabilirlik : Bu model harici blöf gövdesi hesaplaması için iyi olsa da, sadece türbülanslı akışlar için uygundur. Hızlar düşük olduğundan, akış laminerden türbülansa geçiş yaşayacaktır ( bu hesap makinesini kullanarak max ). Gerçekleştirilebilir - modeli gibi bir varyantla daha iyi yararlanabilirsiniz . k $Re = 1.98*10^6$$k$$\epsilon$

2. - türbülans modeli$k$$\omega$ :

ve türbülans frekansı için çözer . Yakın duvar akışları için daha iyi sonuçlar verir. Geçişi tahmin eder (bazen erken olsa da). İlk tahmine oldukça duyarlıdır ve bu nedenle ilk birkaç iterasyon - modeli ile gerçekleştirilir. Bu makalede , bu model için duvara yakın tedavi verilmektedir. ω k $k$$\omega$$k$$\epsilon$

Artıları : Sınır katmanları için mükemmel, olumsuz basınç gradyanında çalışır, güçlü ayrılmış akışlar, jetler ve serbest kesme katmanları için çalışır

Eksileri : Yakınsama için gereken süre daha fazla, bellek yoğun, Duvarın yakınında örgü çözünürlüğü gerektirir, erken ve aşırı ayrımı tahmin eder

Kullanım alanları : İç akışlar, Boru akışları, Jet akışları, girdaplar

Sizin durumunuzda uygulanabilirlik : Sınır tabakası değerleri büyük ölçüde serbest akış bağlı olduğundan, durumunuz için tamamen uygun değildir . Bu, çözmek için çok ince bir ızgara ve dolayısıyla uzun hesaplama süresi gerektirir. Ayrıca türbülanslı kesme geriliminin taşınmasını da hesaba katmaz.$\omega$

3. - SST$k$$\omega$

Her iki dünyanın en iyisi! Bu model , duvarın yanında - ve serbest akışta - kullanan bir karıştırma fonksiyonuna sahiptir . Duvar fonksiyonlarını kullanmaz. Bu modelin tüm varyantları bu NASA sayfasında bulunabilir .ω k $k$$\omega$$k$$\epsilon$

Artıları : - modelinin tüm avantajlarını verirken türbülanslı kayma gerilmesi hesapları , Ayrılma ve geçişin son derece hassas tahmini, Çok iyi serbest akım ve sınır tabaka sonuçları$k$$\omega$

Eksileri : Standart - kadar serbest kesme ve girdap akışları için uygun değildir, Jet akışları için uygun değildir, Duvarların yakınında ince örgü çözünürlüğü gerektirir$k$$\omega$

Kullanım alanları : Harici aerodinamik, ayrı akışlar, Sınır tabakalar ve ters basınç gradyanları

Sizin durumunuzda uygulanabilirlik: Oldukça uygulanabilir. Daha iyi sonuçlar istiyorsanız , duvarlardan uzakta - RNG veya gerçekleştirilebilir model kullanan bir sst modeli çeşidi kullanın$k$$\epsilon$

Peki hangi model en uygun?

Tahminim - SST modeli. Daha iyi geçiş, ayrılma ve olumsuz basınç gradyanları altında bile çalışacağı için, daha iyi cilt sürtünme sürtünmesi elde edersiniz . Aynı zamanda, duvarlardan iyi çalışır, bu da size iyi basınç sürtünmesi ve dolayısıyla parazit sürtünme sağlar . Daha iyi akış görselleştirmesi elde edersiniz. Spalart-Allmaras modelini çok iyi kullanabilirsiniz, ancak bu çalışmayı görürseniz , SST modelinin ne kadar fark yarattığını göreceksiniz.$k$$\omega$

Ve benim sözüme güvenme. ' Zamana Karşı Bisiklet Sürücülerinin Aerodinamik Analizi ve Sürükleme Katsayısı Değerlendirmesi ' raporu SST modelini kullanmaktadır. Bu makale , bisikletçi aerodinamiği için tüm türbülans modelleri sonuçlarını karşılaştırmakta ve SST modelinin en iyi genel sonuçları verdiği sonucuna varmaktadır. Bu sonuçlara atıfta bulunuyorum çünkü Reynold'un sayısı akıllıca ve boyutları akıllıca, bir bisiklet davanıza daha yakın, tonlarca çalışmanın mevcut olduğu bir yere gidiyor.

Ancak, vakanızda zaman sınırlıysa, Spalart-Allmaras modelini tercih edin. Bu durumda RNG - veya gerçekleştirilebilir - için de gidebilirsiniz . Bununla birlikte, bir bisiklet tekerleği üzerinde yapılan bu çalışma , SA modelinin - daha iyi sonuçlar verdiğini göstermektedir (bu çok geometriye özgüdür, geometriniz için farklı model işe yarayabilir). Dünyada her zaman varsa, SST ve epsilon modelini kullanarak çalışmalar yapın ve karşılaştırmanızı başkalarının da yararlanabilmesi için yayınlayın.ϵ k ϵ k $k$$\epsilon$$k$$\epsilon$$k$$\epsilon$

Daha iyi hesaplama kaynaklarınız varsa, LES'i tercih edin . Ama bu durumda bunun çağrılmadığını hissediyorum ve uygun olmayabilir. LES ile deneyimim yok, bu yüzden yorum yapamam.

Bazı ilginç kaynaklar:

1. KÖPÜK evi : Adım adım OpenFOAM öğrenmek istiyorsanız

2. Türbülanslı akışların sayısal modellemesinde son gelişmeler

3. Türbülans yüzyıl için dersler - türbülansı$21^{st}$ anlamak istiyorsanız şiddetle tavsiye edilen okuma

4. Türbülans Modelleri ve Karmaşık Akışlara Uygulanması

Herşey gönlünce olsun!

Şerefe!

Bunun ideal cevap olacağını söyleyemem, ama başlamanız lazım. Açıkça görüldüğü gibi, ben gerçek bir uzman değilim.

Bu modellerin kalitesi genel olarak, bu durumda temel olarak kullanılan denklemlerin sayısını izleyen gelişmişlikleriyle artacaktır. Dolayısıyla (SA) en az etkili olurken k- , k- ve SST daha iyi olur. RSM en iyisi olurdu.$\epsilon$$\omega$

Orta üçte, SST akış ayrımını doğru şekilde tahmin etmede daha iyi (bana söylendi). Diğer ikisinin ne zaman ayrılmaları gerektiğini tahmin etme alışkanlığı vardır. Ayrılmanın genellikle sürüklemeye neden olduğu düşünüldüğünde, bunlar kusurlu bir tasarımın iyi görünmesine neden olabilir.

Mümkünse RSM kesinlikle tercih edilecek olsa da, NS'nin üzerine 7 denklem eklediği için en çok zaman alıcı olacaktır. 10 yıl önce, burada zor bir seçim yapmanız gerekebilir. Bu günlerde, bu tür araçların RSM modellerini makul süre içinde döndürebilmelisiniz.

Son birkaç aydır bir FSAE (açık tekerlekli tek kişilik yarış arabası) aero tasarımı üzerinde çalışıyorum ve oldukça yüksek uçlu bir dizüstü bilgisayarda veya saygın bir oyun teçhizat masaüstünde çalıştırmak için makul olarak RSM kullanımını buldum. Ayrıca, çok sayıda tasarım yinelemesini değerlendirmeniz gerekiyorsa, çalışma süresi kiralayabileceğiniz yerler de bulabilirsiniz. İhtiyacımız olan yazılımı çalıştırmak için kurulan ve kullandığımız bir şirketin adını ekleyebilirim ve öğrenci fiyatlarında bize yardımcı oldu (birisi SE için uygunsa lütfen yorum yapın).

Hafif bir teğet: Yöntemlerinizi doğrulamak için kullanabileceğiniz kağıtları (ideal olarak deneysel) aramanızı şiddetle tavsiye ederim. Kendi tasarımlarımızı gerçekleştirmeye başlamadan önce rüzgar tüneli deneylerinden elde ettiğimiz sonuçları (akıl içinde) oluşturabileceğimizden çok emin olduk. Akışın yapısını çözdüğünüzden emin olmak için ağ duyarlılığı analizi yapmak da önemlidir.

Ayrıca, yüzeylerinizden çıkan prizma katmanları (sınır katmanlarını daha iyi çözmek için) önemlidir.

Son olarak: Fluent milletinden gelen bu belge biraz eskidir, ama yine de başlamamıza çok yardımcı oldu. (karalama bağlantısı için özür dilerim.

Sadece bir simülasyon gerçekleştirecek kaynaklara sahipseniz, @Subodh ile hemfikirim ve .$k-\omega\:SST$

Birden fazla simülasyon alabiliyorsanız, farklı modeller kullanır ve karşılaştırırdım. Bu şekilde türbülans modelinin uygulamanızdaki etkisini tanımlayabilirsiniz.

En uygun hız dağılımını mı arıyorsunuz yoksa ayrımlarla daha mı ilgileniyorsanız açıklığa kavuşturabilir misiniz?