Turbulenssimulering

Turbulenssimulering är en disciplin inom fluiddynamik som syftar till att förutse turbulenta flöden genom numerisk lösning av grundläggande flödesekvationer och relevanta modellkomponenter. Den används i industri och forskning där turbulens påverkar prestanda, energianvändning och säkerhet.

Huvudmetoderna inom turbulenssimulering är olika nivåer av modellering och resolution. Reynolds-avergerade Navier–Stokes (RANS) modellerar turbulensens effekt genom tidsmedelvärden och kvantiteter, ofta med modeller som k-ε eller k-ω/SST. Large Eddy Simulation (LES) löser de största turbulensskalaerna direkt och modellerar småskalorna via en subgrid-scale (SGS) modell. Direct Numerical Simulation (DNS) löser samtliga turbulensskalor utan modellering men kräver mycket beräkningskraft och används främst inom grundforskning. Hybridmetoder som Detached Eddy Simulation (DES) kombinerar RANS nära väggar med LES längre från ytan för att balansera noggrannhet och kostnad.

Tillämpningar av turbulenssimulering finns inom flyg-, fordons-, vindkrafts- och byggsektorn, där turbulens påverkar tryckbelastningar, värmeöverföring, akustik och komfort. Numeriska aspekter innefattar diskretisering (till exempel finite volume eller finite element), tidsintegration och val av mesh samt vägroughness och väggmodeller. Det uppkommer ofta osäkerheter i modellerna och beroende av geometri och flödeskaraktär.

Begränsningar och framtid: kostnad och behov av validering mot experiment, särskilt i komplexa eller svåravbildade geometrier. Framtiden för turbulenssimulering innehåller bättre turbulensmodeller, adaptiv meshing, multiskaliga och hybridmetoder samt ökad användning av GPU-accelererade beräkningar.