¿Qué modelos de turbulencia son adecuados para el análisis de CFD en una carrocería aerodinámica?

Muchos códigos CFD comerciales y de código abierto implementan varios métodos de cierre para el término de aceleración convectiva no lineal de las ecuaciones de Navier-Stokes (RANS) promediadas por Reynolds. Los métodos comunes (también conocidos como modelos de turbulencia ) incluyen

• Spalart – Allmaras (S – A)
• k – ε (k – épsilon)
• k – ω (k – omega)
• SST (transporte de esfuerzo cortante de Menter)
• Modelo de ecuaciones de estrés de Reynolds

¿Cuáles de estos son adecuados para la simulación de CFD de una carrocería aerodinámica? El propósito de las simulaciones es guiar el refinamiento de la forma del cuerpo para minimizar las fuerzas de arrastre aerodinámicas. Una respuesta ejemplar resumiría brevemente las ventajas y desventajas de cada método para esta aplicación de simulación.

Detalles potencialmente útiles:

El vehículo es un vehículo pequeño para una persona con dimensiones aproximadas.

• L = 2.5 m,
• W = 0.7 m, y
• H = 0,5 m.

Viajará a velocidades que van desde 0 m / s hasta aproximadamente 12 m / s. Las tres ruedas están encerradas por la envoltura de la carrocería y el vehículo tiene una distancia al suelo aproximada de 15 cm, excepto cerca de las ruedas, donde la cubierta de la carrocería se extiende hasta 1 cm de la superficie de la carretera.

Normalmente, las fuerzas aerodinámicas a estas velocidades son casi insignificantes, pero suponga que este vehículo está diseñado para competir en una competencia de "Super kilometraje" en una pista suave, es muy liviano y utiliza componentes de transmisión de baja fricción en todo momento, por lo que la aerodinámica Las fuerzas tienen un efecto significativo en el consumo de combustible alcanzable.

El modelo de turbulencia puede marcar una gran diferencia en su simulación . Hay muchos modelos de turbulencia alrededor. Se convierte en un trabajo difícil seleccionar uno de ellos.

No existe un modelo perfecto de turbulencia. Todo depende de varios parámetros como el número de Reynold, si el flujo está separado, los gradientes de presión, el espesor de la capa límite, etc. En esta respuesta, se proporciona información breve sobre algunos modelos populares junto con pros y contras y posibles aplicaciones. Sin embargo, los usuarios interesados ​​pueden ver este excelente sitio web de la NASA y sus referencias para saber más sobre el modelado de turbulencias.

A) UN MODELO DE ECUACIÓN:

1. Spalart-Allmaras

Este modelo resuelve una variable adicional para la viscosidad Spalart-Allmaras. Según un documento de la NASA , hay muchas modificaciones en este modelo destinadas a fines específicos.

Pros : menos memoria intensiva, muy robusta, convergencia rápida

Contras : no es adecuado para flujo separado, capas de cizallamiento libres, turbulencia en descomposición, flujos internos complejos

Usos : Cálculos en capas límite, campo de flujo completo si la separación es leve o nula, aplicaciones aeroespaciales y automotrices, para cálculos iniciales antes de pasar a cálculos de flujo compresible de modelo superior

Aplicabilidad a su caso : un buen candidato para reducir el tiempo de simulación. Puede predecir el arrastre bastante bien con este modelo. Sin embargo, si está interesado en conocer la región de separación de flujo, este modelo no dará resultados muy precisos.

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B) MODELOS DE DOS ECUACIONES:

1. $k$$\epsilon$

$k$$\epsilon$

Pros : fácil de implementar, convergencia rápida, predice los flujos en muchos casos prácticos, bueno para la aerodinámica externa

Contras : No es adecuado para chorros axi-simétricos, flujos de vórtice y separación fuerte. Muy baja sensibilidad para los gradientes de presión adversos, difícil de iniciar (necesita inicialización con Spalart-Allmaras), no apto para aplicaciones cercanas a la pared

Usos : Adecuado para iteraciones iniciales, bueno para flujos externos alrededor de geometrías complejas, bueno para capas de corte y flujos libres sin pared

$Re = 1.98*10^6$$k$$\epsilon$

$k$$\omega$

$k$$\omega$$k$$\epsilon$

Pros : Excelente para capas límite, funciona en gradiente de presión adverso, funciona para flujos separados fuertes, chorros y capas de corte libre

Contras : el tiempo requerido para la convergencia es mayor, requiere mucha memoria, requiere una resolución de malla cerca de la pared, predice una separación temprana y excesiva

Usos : flujos internos, flujos de tubería, flujos de chorro, vórtices

$\omega$

$k$$\omega$

$k$$\omega$$k$$\epsilon$

$k$$\omega$

$k$$\omega$

Usos : Aerodinámica externa, flujos separados, capas límite y gradientes de presión adversos.

$k$$\epsilon$

Entonces, ¿qué modelo es el más apropiado?

$k$$\omega$

Y no confíes en mi palabra. Un informe sobre ' Análisis aerodinámico y evaluación del coeficiente de resistencia de los ciclistas de contrarreloj ' utiliza el modelo SST. Este documento compara todos los resultados de los modelos de turbulencia para la aerodinámica del ciclista y llega a la conclusión de que el modelo SST ofrece los mejores resultados generales. Estoy citando estos resultados porque el número de Reynold y las dimensiones sabias, una bicicleta se acerca más a su caso, para el cual hay toneladas de estudios disponibles.

$k$$\epsilon$$k$$\epsilon$$k$$\epsilon$

Si tiene mejores recursos computacionales, elija LES . Pero siento que no se requiere en este caso y podría no ser apropiado. No tengo experiencia con LES, así que no puedo comentar.

Algunos recursos interesantes:

1. La casa FOAM : si quieres aprender OpenFOAM paso a paso

2. Avances recientes en el modelado numérico de flujos turbulentos

3. $21^{st}$

4. Modelos de turbulencia y su aplicación a flujos complejos

¡Todo lo mejor!

¡Salud!

No puedo decir que esta sea la respuesta ideal, pero debería ayudarlo a comenzar. Como será evidente, no soy un verdadero experto.

$\epsilon$$\omega$

Dentro de los tres medios, la TSM es (según me han dicho) mejor para predecir correctamente la separación del flujo. Los otros dos tienen la costumbre de no predecir la separación cuando deberían. Dado que la separación generalmente causa resistencia, esto podría resultar en un diseño defectuoso que parece bueno.

Si bien RSM definitivamente se preferiría si fuera posible, será más lento porque agrega 7 ecuaciones sobre NS. Hace 10 años, es posible que haya tenido que tomar una decisión difícil aquí. En estos días, debería poder cambiar los modelos RSM de este tipo de vehículo en cantidades razonables de tiempo.

He estado trabajando en un diseño aerodinámico FSAE (coche de carreras de un solo asiento con ruedas abiertas) durante los últimos meses y he encontrado que el uso de RSM es razonable para ejecutarse en una computadora portátil de gama alta o en cualquier computadora de escritorio de juegos respetable. También puede encontrar lugares donde puede alquilar tiempo de ejecución si necesita evaluar una gran cantidad de iteraciones de diseño. Puedo agregar el nombre de una empresa que utilizamos que se creó para ejecutar el software que necesitábamos y nos ayudó con los precios de los estudiantes (alguien por favor comente si es apropiado para SE).

Una ligera tangente: recomiendo encarecidamente que busque documentos (idealmente experimentales) que pueda usar para validar sus métodos. Nos aseguramos de poder recrear (dentro de lo razonable) los resultados de los experimentos del túnel de viento antes de proceder a ejecutar nuestros propios diseños. También es importante ejecutar un análisis de sensibilidad de malla para asegurarse de que está resolviendo la estructura del flujo.

Además, las capas de prisma que salen de sus superficies (para resolver mejor las capas límite) son importantes.

Por último: este documento de la gente de Fluent es un poco viejo, pero aún así fue muy útil para comenzar. (Perdón por el enlace scribd.

$k-\omega\:SST$

En caso de que pueda permitirse múltiples simulaciones, usaría diferentes modelos y compararía. De esta manera, puede identificar la influencia del modelo de turbulencia en su aplicación particular.

¿Podría aclarar si está buscando una distribución de velocidad óptima o si está más interesado en las separaciones?