Übersicht über 6 Arten von Turbulenzmodellen in der Strömungsdynamik: RANS, LES, DNS, DES, URANS und Hybridmodelle. Erfahren Sie Vor- und Nachteile und deren Anwendungen.
6 Arten von Turbulenzmodellen in der Strömungsdynamik
In der Strömungsdynamik ist die Modellierung von Turbulenzen ein entscheidender Aspekt, um genaue Simulationen und Vorhersagen zu ermöglichen. Verschiedene Turbulenzmodelle werden verwendet, um die komplexen und chaotischen Eigenschaften von turbulenten Strömungen zu beschreiben. Im Folgenden werden sechs grundlegende Arten von Turbulenzmodellen vorgestellt:
1. RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) Modelle
RANS-Modelle basieren auf den zeitlichen Mittelwerten der Navier-Stokes-Gleichungen. Diese Modelle verwenden die Reynolds-Zerlegung, um die Strömungsgrößen in Mittelwerte und Schwankungen zu separieren. Die resultierenden Gleichungen enthalten zusätzliche Terme, die als Reynolds-Spannungen bezeichnet werden und durch Turbulenzmodelle geschlossen werden müssen.
- k-ε Modell: Das am häufigsten verwendete RANS-Modell. Es umfasst zwei Gleichungen – eine für die kinetische Energie der Turbulenz (k) und eine für die Dissipation (ε).
- k-ω Modell: Ebenfalls ein zweigleichungsbasiertes Modell, das insbesondere in der Nähe von Wänden genaue Ergebnisse liefert.
2. LES (Large Eddy Simulation)
LES-Modelle sind fortschrittlicher als RANS-Modelle. In LES werden die großen Wirbel direkt aufgelöst, während die kleineren Wirbel modelliert werden. Dies führt zu einer höheren Genauigkeit, insbesondere bei hochgradig turbulenten Strömungen, erfordert jedoch mehr Rechenleistung.
3. DNS (Direct Numerical Simulation)
DNS-Modelle versuchen, alle Skalen der Turbulenz direkt aufzulösen, ohne Vereinfachungen oder Modelle anzuwenden. DNS liefert die genauesten Ergebnisse, ist jedoch aufgrund des enormen Rechenaufwands oft nur für akademische oder grundlegende Untersuchungen praktikabel.
4. DES (Detached Eddy Simulation)
DES ist eine Hybridmethode, die Merkmale von RANS und LES kombiniert. In den wandnahen Bereichen wird RANS verwendet, während in den freiströmenden Bereichen LES angewendet wird. Dies ermöglicht eine effiziente und präzise Simulation von Strömungen mit komplexen Turbulenzeigenschaften.
5. URANS (Unsteady RANS)
URANS erweitert das RANS-Modell, indem es die zeitabhängigen Charakteristiken der Strömung berücksichtigt. Dies macht es besser geeignet für Strömungen mit vorhersagbaren, aber nicht stationären Eigenschaften wie periodischen Wirbelablösungen.
6. Hybridmodelle
Hybridmodelle kombinieren verschiedene Modellierungsansätze, um die Stärken der einzelnen Methoden zu nutzen und ihre Schwächen zu minimieren. Ein bekanntes Beispiel ist die Kombination von LES und DNS, bei der die großen Wirbel durch LES aufgelöst und die kleineren Wirbel durch DNS modelliert werden.
Diese sechs Ansätze bieten unterschiedliche Kompromisse zwischen Genauigkeit und Rechenaufwand und ermöglichen es Ingenieuren und Wissenschaftlern, das am besten geeignete Modell für ihre spezifischen Anwendungen auszuwählen.
