Turbulenssimallinnuksessa

Turbulenssimallinnus on laskennallinen lähestymistapa neste- tai kaasuliikkeen epäjatkuvien, pyörteisten osien vaikutusten arvioimiseksi. Turbulenssi koostuu usean mittaluokan liikkeistä, joita ei aina käytännössä ratkaista suorasti suurissa ongelmissa. Mallinnuksen tavoitteena on yhdistää fysikaaliset periaatteet ja rajoitettu laskentateho siten, että pyörteiden vaikutukset voidaan ottaa huomioon tehokkaasti.

Yleisimmät lähestymistavat ovat DNS, LES ja RANS. Direct Numerical Simulation ratkaisee Navier–Stokes -yhtälöt ilman sulkeumia kaikilla resoluutioilla, mutta kustannukset kasvavat valtavasti suurilla Reynolds-luvuilla. Large-Eddy Simulation erottaa suurimmat pyörteet ja ratkaisee ne, pienemmät pyörteet mallinnetaan subgrid-scale -malleilla. Reynolds-averaged Navier–Stokes -menetelmät keskittävät virtausmuuttujat aikahaarukoittain ja käyttävät turbulenssin sulkeumia, kuten k-ε, k-ω ja SST, joiden avulla turbulenssivaikutukset voidaan kuvata käytännöllisesti.

Seinämallit ovat tärkeitä, kun virtaus on seinärajattu. Käytetään seinäalueen malleja kuten wall-functions tai seinämämallinnuksia, sekä lähestymistapoja, joissa seinän läheisyydessä ratkaisuja käsitellään tarkemmin. Hybridi- ja monimutkaisimmat menetelmät, kuten DES (detached-eddy simulation) ja IDDES, yhdistävät RANS- ja LES-ideat tasapainottaen tarkkuuden ja kustannukset.

Sovellukset kattavat ilmailun, auto- ja rakennusteollisuuden sekä energiateollisuuden ja ympäristöprosessit. Turbulenssimallinnusta käytetään sekä suunnitteluun että tutkimukseen. Mallien valinta riippuu virtaustyypistä, tarvittavasta tarkkuudesta, laskentakustannuksista ja validoinnista kokeellisin tai DNS-tuloksin. Haasteita ovat seinäpinnoilla esiintyvä anisotropia, siirtymävaiheet, kompressiiviset virtausyhtälöt sekä suurten ja pienten pyörteiden yhteisvaikutuksen oikea kuvaus.