CFD-13. LES-RANS Hybride Turbulenzmodelle

In diesem Beitrag zur numerischen Strömungsmechanik (CFD) setzen wir die Analyse von Fallstudien fort, bei denen Turbulenzen eine wesentliche Rolle spielen. Insbesondere werden wir einen Vergleich der Ergebnisse zwischen einem üblichen RANS-Modell und einem hybriden LES-RANS-Turbulenzmodell sehen.

Das Studienmodell, das in der folgenden Abbildung vernetzt dargestellt ist, weist eine Querschnittsänderung auf, die im unteren Teil des Bereichs Rezirkulationen verursacht. Die Hybridmodelle liefern durch die Auflösung der großen Skalen der Wirbel ein genaueres Ergebnis über das Verhalten des Fluids in dieser Rezirkulationszone.

CFD-Vernetzung des Modells

In diesem Fall wird das als DES (Dettached Eddy Simulation) bekannte Hybridmodell und seine Modifikation IDDES (Improved Delayed DES) untersucht, das genauere Ergebnisse liefert, wenn der LES-RANS-Übergang in einem weiten Bereich anstelle einer Zone mit abrupter Ablösung erfolgt.

Die Randbedingungen sind Symmetrie an den Seitenwänden und der oberen Wand und kein Schlupf an der unteren Wand sowie am Ein- und Auslass. Weitere technische Details zur Simulation finden Sie in der Anleitung in unserem Download-Bereich.

CFD-Simulation und Ergebnisse

Mit einem SST-Turbulenzmodell zeigen die Geschwindigkeitsergebnisse ein ziemlich gleichmäßiges Profil, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Geschwindigkeitsergebnisse mit dem stationären SST-Modell

Um die anfänglichen Ergebnisse von DES und IDDES zu verbessern, werden die stationären SST-Ergebnisse als anfängliche Druck- und Geschwindigkeitsbedingungen für beide verwendet.

Die Simulationen zeigen, dass jeder Zeitschritt des Modells deutlich mehr Rechenzeit verbraucht als beim SST-Modell. Die Rechenkosten der beiden Hybridmodelle sind sehr ähnlich.

Bei der Betrachtung der instationären Strömung zeigt sich, dass das Verhalten bei DES und IDDES ähnlich ist. Die Theorie besagt, dass die Ergebnisse mit dem IDDES-Modell realistischer sind. Das Geschwindigkeitsprofil erfasst dieses Mal die Instabilitäten der Strömung, wie in den Bildern gezeigt.

Geschwindigkeitsergebnisse mit instationären Hybridmodellen

In den folgenden Karten ermöglicht die Verwendung des Q-Kriteriums die Visualisierung der Wirbel, die durch die Neigung entstehen.

Ergebnisse des Q-Kriteriums mit instationären Hybridmodellen

Es wird festgestellt, dass sich die Ergebnisse in diesem Punkt zwischen DES und IDDES leicht unterscheiden, wobei die IDDES-Ergebnisse zuverlässiger sind.

Diese Art von Simulationen mit hybriden Turbulenzmodellen ist nützlich, um die im instationären Bereich erzeugten Wirbelstrukturen sichtbar zu machen. RANS-Modelle liefern keine so genauen Ergebnisse. Bei anderen Simulationen, insbesondere solchen, die einen stationären Zustand darstellen sollen, erhöhen diese Modelle den Rechenaufwand erheblich, in der Regel ohne nennenswerte Verbesserungen der Ergebnisse.

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