CFD-06. Flujo invertido. Modelo de turbulencia.

En esta entrada sobre Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) vamos a realizar un benchmark común de los análisis CFD, el estudio del flujo invertido tras un escalón. Este refleja la importancia de la elección del modelo de turbulencia adecuado en las simulaciones CFD.

Una vez más emplearemos el software Acusolve con el pre-procesador Hyperworks CFD. Este estudio también cuenta con un tutorial disponible en nuestra sección de Descargas donde se detallan los pasos a seguir.

En este ejemplo no estudiaremos la transferencia de calor, sino que nos centraremos en el campo de velocidades y especialmente en la extensión de la zona de flujo invertido tras el escalón. Compararemos los resultados de dos modelos de turbulencia apropiados para esta situación, el modelo K-omega y el SST (Shear Stress Transport).

Pre-proceso con Hyperworks CFD

La geometría y condiciones del caso pueden verse en la siguiente imagen:

Geometría del modelo CFD a estudio - Flujo tras escalón

Para poder simular el caso con Acusolve se le da a este dominio un espesor de 0.1mm para conseguir una geometría tridimensional. Como condiciones de contorno, además del inlet y el outlet en las posiciones indicadas, se imponen condiciones de simetría en las caras laterales y condiciones de pared sin deslizamiento en el resto de fronteras, incluyendo el escalón.

Para el mallado definimos un tamaño medio de elemento global de 0,1mm y refinaremos la parte baja, incluyendo completamente el escalón, con un tamaño de elemento de 0,01mm. En la imagen se muestra un detalle del mallado en la zona del escalón junto con el resumen del mallador de Hyperworks.

Mallado de detalle CFD - Flujo tras escalón

Resolución y Post-proceso

Tras simular el modelo en ambos casos propuestos, podemos ver los resultados de velocidad, y con ellos la zona de flujo invertido que predice el análisis. Se puede observar que el modelo SST predice una mayor zona de recirculación.

Flujo tras escalón - Comparativa de modelos de turbulencia

La elección del modelo de turbulencia influye también en la convergencia, siendo para esta simulación, más rápida y clara con K-Omega activado.

Modelo de turbulencia

Finalmente, incluimos a continuación algunas recomendaciones de uso generales sobre modelos de turbulencia habituales de cara a escoger el adecuado para un análisis CFD:

  • Spalart-Allmaras: Diseñado para aplicaciones aeroespaciales. Buena eficiencia y convergencia. Limitaciones y posibles errores elevados en flujos tridimensionales o complejos
  • K-Epsilon: Buena relación entre precisión y velocidad. Más preciso para flujo lejano a las paredes. Tiene tres variantes:
    • Standard: Problemas de convergencia si las paredes tienen mucha influencia en el problema o alta curvatura.
    • Realizable: Es la elección recomendada para muchas aplicaciones. Menor precisión cerca de las paredes.
    • RNG: Mejor para flujos complejos con baja turbulencia. Peor convergencia.
  • K-Omega: Mejor descripción del flujo cercano a las paredes. Útil cuando estas tienen gran relevancia en el flujo. Peores resultados lejos de las superficies. Mala convergencia en ciertos casos y mucha dependencia de las condiciones iniciales. No muy recomendado para problemas habituales de la industria
  • SST: Trata de combinar los modelos K-Omega cerca de las paredes con transición a K-Epsilon en las zonas alejadas. Útil en problemas de transferencia de calor con convección. Buena precisión pero puede tener problemas de convergencia.
  • LES (En Acusolve solo disponible para análisis transitorio): Modelo más complejo. Útil en casos de flujo lento con importante componente térmica y flotabilidad.
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