Które modele turbulencji są odpowiednie do analizy CFD na opływowym nadwoziu pojazdu?

Wiele komercyjnych i otwartych kodów CFD implementuje kilka metod zamykania dla nieliniowego przyspieszenia konwekcyjnego równań uśrednionego Reynoldsa-Stokesa (RANS). Typowe metody (znane również jako modele turbulencji ) obejmują

• Spalart – Allmaras (S – A)
• k – ε (k – epsilon)
• k – ω (k – omega)
• SST (Menter's Shear Stress Transport)
• Model równania stresu Reynoldsa

Które z nich są odpowiednie do symulacji CFD usprawnionego nadwozia? Celem tych symulacji jest udoskonalenie kształtu ciała, aby zminimalizować aerodynamiczne siły oporu. Przykładowa odpowiedź pokrótce nakreśli zalety i wady każdej metody dla tej aplikacji symulacyjnej.

Potencjalnie przydatne szczegóły:

Pojazd jest małym pojazdem jednoosobowym o przybliżonych wymiarach

• L = 2,5 m,
• W = 0,7 m oraz
• H = 0,5 m.

Będzie jechał z prędkością od 0 m / s do około 12 m / s. Wszystkie trzy koła są otoczone obwiednią nadwozia, a pojazd ma przybliżony prześwit wynoszący 15 cm, z wyjątkiem kół w pobliżu, gdzie nadwozie wystaje w odległości do 1 cm od powierzchni drogi.

Normalnie siły aerodynamiczne przy tych prędkościach są prawie znikome, ale należy założyć, że ten pojazd jest zaprojektowany do konkurowania w wyścigu „Super Mileage” na gładkim torze, jest bardzo lekki i wykorzystuje elementy układu napędowego o niskim współczynniku tarcia, więc aerodynamika siły mają znaczący wpływ na osiągalne zużycie paliwa.

Model turbulencji może znacząco wpłynąć na twoją symulację . Wokół jest wiele modeli turbulencji. Trudno jest wybrać jedną z nich.

Nie ma idealnego modelu turbulencji. Wszystko zależy od kilku parametrów, takich jak liczba Reynoldsa, od tego, czy przepływ jest oddzielony, gradientów ciśnienia, grubości warstwy granicznej i tak dalej. W tej odpowiedzi podano krótką informację o kilku popularnych modelach, plusy i minusy oraz potencjalne zastosowania. Jednak zainteresowani użytkownicy mogą zobaczyć tę doskonałą stronę internetową NASA i odnośniki, aby dowiedzieć się więcej o modelowaniu turbulencji.

A) JEDEN MODEL RÓWNOŚCI:

1. Spalart-Allmaras

Ten model rozwiązuje jedną dodatkową zmienną dla lepkości Spalart-Allmaras. Zgodnie z dokumentem NASA istnieje wiele modyfikacji tego modelu przeznaczonych do określonych celów.

Plusy : mniej intensywna pamięć, bardzo solidna, szybka konwergencja

Wady : Nie nadaje się do oddzielnego przepływu, swobodnych warstw ścinających, rozkładających się turbulencji, złożonych przepływów wewnętrznych

Zastosowania : Obliczenia w warstwach przyściennych, całe pole przepływu w przypadku łagodnego lub bez separacji, zastosowania w lotnictwie i przemyśle samochodowym, do wstępnych obliczeń przed przejściem do wyższego modelu, obliczenia przepływu ściśliwego

Możliwość zastosowania w twoim przypadku : dobry kandydat do skrócenia czasu symulacji. Za pomocą tego modelu można dość dobrze przewidzieć opór. Jeśli jednak interesuje Cię znajomość regionu rozdziału przepływu, ten model nie da bardzo dokładnych wyników.

________________________________________________________________________________

B) MODELE DWÓCH RÓWNIKÓW:

1. $k$ - model turbulencji :$\epsilon$

Model ogólnego zastosowania . Ten model rozwiązuje problem energii kinetycznej ( ) i rozpraszania turbulencji ( ). Równania dla tych modeli można znaleźć na tej stronie cfd-online. Ten model wymaga obliczenia funkcji ściany dla implementacji. Nadaje się tylko do przepływów w pełni turbulentnych.$k$$\epsilon$

Zalety : prosty do wdrożenia, szybka konwergencja, przewiduje przepływy w wielu praktycznych przypadkach, dobry dla zewnętrznej aerodynamiki

Wady : Nie nadaje się do osiowo-symetrycznych strumieni, przepływów wirowych i silnej separacji. Bardzo niska czułość na niekorzystne gradienty ciśnienia, trudna do uruchomienia (wymaga inicjalizacji za pomocą Spalart-Allmaras), nie nadaje się do aplikacji przy ścianie

Zastosowania : Odpowiednie do początkowych iteracji, dobre dla zewnętrznych przepływów wokół złożonych geometrii, dobre dla warstw ścinających i swobodnych przepływów niezwiązanych ze ścianą

Możliwość zastosowania w twoim przypadku : Chociaż ten model jest dobry do obliczania zewnętrznego ciała blefu, jest odpowiedni tylko dla przepływów turbulentnych. Ponieważ prędkości są niskie, przepływ będzie doświadczał przejścia od laminarnego do turbulentnego (maks. za pomocą tego kalkulatora ). Możesz lepiej skorzystać z takiego wariantu, jak wykonalny model - . K $Re = 1.98*10^6$$k$$\epsilon$

2. model turbulencji -$k$$\omega$ :

Rozwiązuje dla i częstotliwości turbulencji . Daje lepsze wyniki dla przepływów w pobliżu ściany. Przewiduje przejście (choć czasem wcześnie). Dość wrażliwe na początkowe domysły, a zatem kilka początkowych iteracji wykonuje się za pomocą modelu - . W tym artykule opisano obróbkę przyścienną dla tego modelu. ω k $k$$\omega$$k$$\epsilon$

Zalety : Doskonały do ​​warstw przyściennych, pracuje w niekorzystnym gradiencie ciśnienia, działa dla silnie oddzielonych przepływów, strumieni i warstw swobodnego ścinania

Minusy : czas potrzebny na zbieżność jest dłuższy, wymaga dużej ilości pamięci, wymaga rozdzielczości siatki blisko ściany, przewiduje wczesne i nadmierne oddzielenie

Zastosowania : przepływy wewnętrzne, przepływy rur, przepływy strumieniowe, wiry

Możliwość zastosowania w twoim przypadku : Nie do końca nadaje się do twojego przypadku, ponieważ wartości warstwy granicznej zależą silnie od swobodnego strumienia . Wymaga to bardzo dokładnej siatki do rozwiązania, a zatem długiego czasu obliczeń. Nie uwzględnia również transportu turbulentnego naprężenia ścinającego.$\omega$

3. - SST$k$$\omega$

Najlepsze z obu światów! Ten model ma funkcję mieszania, która używa - przy ścianie i - w wolnym strumieniu. Nie używa funkcji ściany. Wszystkie warianty tego modelu można znaleźć na tej stronie NASA .ω k $k$$\omega$$k$$\epsilon$

Zalety : Uwzględnia turbulentne naprężenie styczne, zapewniając jednocześnie wszystkie zalety modelu - , Bardzo dokładne przewidywanie separacji i przejścia, Bardzo dobre wyniki swobodnego strumienia oraz warstwy granicznej$k$$\omega$

Wady : Nie nadaje się do swobodnego przepływu ścinającego i wirowego tak samo, jak standardowy - , Nie nadaje się do przepływów strumieniowych, Wymaga dokładnej rozdzielczości oczek w pobliżu ścian$k$$\omega$

Zastosowania : aerodynamika zewnętrzna, oddzielone przepływy, warstwy przyścienne i gradienty niekorzystnego ciśnienia

Możliwości zastosowania w twoim przypadku : Wysokie zastosowanie. Jeśli chcesz uzyskać lepsze wyniki, użyj wariantu modelu sst, który używa - RNG lub wykonalnego modelu z dala od ścian$k$$\epsilon$

Który model jest najbardziej odpowiedni?

Domyślam się, że byłby to model - SST. Ponieważ zapewni lepsze przejście, separację i działa nawet przy niekorzystnych gradientach ciśnienia, uzyskasz lepszy opór tarcia skóry . Jednocześnie działa z dala od ścian, co zapewni ci dobry opór nacisku, a tym samym pasożytniczy opór . Uzyskasz lepszą wizualizację przepływu. Możesz bardzo dobrze korzystać z modelu Spalart-Allmaras, ale jeśli zobaczysz to badanie , zauważysz, jak dużą różnicę robi model SST.$k$$\omega$

I nie wierz mi na słowo. Raport na temat „ Analizy aerodynamicznej i oceny współczynnika oporu jeźdźców rowerowych na czas ” wykorzystuje model SST. Niniejszy artykuł porównuje wszystkie wyniki modeli turbulencji dla aerodynamiki rowerzystów i dochodzi do wniosku, że model SST daje najlepsze wyniki ogólne. Przytaczam te wyniki, ponieważ pod względem liczby i wymiarów Reynoldta rower jest najbardziej zbliżony do twojego przypadku, dla którego dostępnych jest mnóstwo badań.

Jeśli jednak w twoim przypadku czas jest ograniczony, wybierz model Spalart-Allmaras. W takim przypadku możesz także wybrać RNG - lub możliwą do wykonania - . Jednak to badanie koła rowerowego pokazuje, że model SA daje lepsze wyniki niż - (jest to bardzo specyficzne dla geometrii, inny model może działać dla twojej geometrii). Jeśli cały czas przebywasz na świecie, przeprowadź badania przy użyciu modelu SST i epsilon i opublikuj swoje porównanie, aby inni również mogli z niego skorzystać.ϵ k ϵ k $k$$\epsilon$$k$$\epsilon$$k$$\epsilon$

Jeśli masz lepsze zasoby obliczeniowe, wybierz LES . Ale czuję, że nie jest to wymagane w tym przypadku i może być niewłaściwe. Nie mam doświadczenia z LES, więc nie mogę komentować.

Kilka interesujących zasobów:

1. Dom PIANKI: Jeśli chcesz nauczyć się OpenFOAM krok po kroku

2. Ostatnie postępy w modelowaniu numerycznym przepływów turbulentnych

3. $21^{st}$

4. Modele turbulencji i ich zastosowanie do przepływów złożonych

Wszystkiego najlepszego!

Twoje zdrowie!

Nie mogę powiedzieć, że będzie to idealna odpowiedź, ale powinna zacząć. Jak się okaże, nie jestem prawdziwym ekspertem.

$\epsilon$$\omega$

W środkowej trójce SST jest (jak mi powiedziano) lepiej w prawidłowym przewidywaniu rozdziału przepływu. Pozostali dwaj mają zwyczaj nie przewidywania separacji, kiedy powinni. Biorąc pod uwagę, że separacja zazwyczaj powoduje opór, mogą one powodować, że wadliwy projekt wydaje się dobry.

Chociaż RSM byłby zdecydowanie preferowany, jeśli to możliwe, będzie to najbardziej czasochłonne, ponieważ dodaje 7 równań nad NS. 10 lat temu być może musiałeś dokonać trudnego wyboru. W te dni powinieneś być w stanie zawrócić modele RSM tego rodzaju pojazdu w rozsądnym czasie.

Przez ostatnie kilka miesięcy pracowałem nad projektem aerodynamicznym FSAE (jednomiejscowy samochód wyścigowy z otwartym kołem) i uznałem, że użycie RSM jest rozsądne, aby działać na dość wysokiej klasy laptopie lub dowolnym poważnym komputerze stacjonarnym. Można również znaleźć miejsca, w których można wypożyczyć czas wykonywania, jeśli trzeba ocenić dużą liczbę iteracji projektu. Mogę dodać nazwę firmy, z której korzystaliśmy, która została skonfigurowana do uruchamiania potrzebnego oprogramowania i pomogła nam w ustalaniu cen studenckich (proszę o komentarz, jeśli jest to właściwe dla SE).

Lekka styczna: zdecydowanie zalecam poszukiwanie prac (najlepiej eksperymentalnych), których można użyć do zweryfikowania metod. Zanim przystąpiliśmy do opracowywania własnych projektów, upewniliśmy się, że możemy odtworzyć (w granicach rozsądku) wyniki eksperymentów w tunelu aerodynamicznym. Ważne jest również przeprowadzenie analizy wrażliwości siatki, aby upewnić się, że rozwiązano strukturę przepływu.

Ważne są również warstwy pryzmatów schodzące z powierzchni (w celu lepszego rozpoznania warstw granicznych).

Na koniec : ten dokument autorstwa Fluent jest nieco stary, ale nadal był bardzo pomocny w rozpoczęciu pracy. (przepraszam za link do skryptu.

$k-\omega\:SST$

Jeśli możesz sobie pozwolić na wiele symulacji, użyłbym różnych modeli i porównałbym je. W ten sposób możesz zidentyfikować wpływ modelu turbulencji w konkretnej aplikacji.

Czy możesz wyjaśnić, czy szukasz optymalnego rozkładu prędkości, czy też bardziej interesują Cię separacje?