Hallo,
bezüglich der Turbulenzmodellierung gibt es eigentlich 3 Ansätze:
Generell ist das Problem der Turbulenz, dass es sich hierbei um ein instationäres Verhalten auf kleine Orts- und Zeitskalen handelt. Die direkte numerische Simulation unter Auflösung dieser Effekte mit kleinen Zeitschritten und hochgelösten Gittern gelingt für technische Anwendungsfälle nicht, da der Rechenaufwand viel zu hoch ist. Dies wird bei moderaten Reynoldszahlen im wissenschaftlichen Bereich gemacht um z.B. den Umschlag von laminar in turbulente Strömungen zu erforschen und Turbulenzmodelle zu entwickeln (z.B. Entstehung vonr Turbulenz).
Der am weitesten verbreitete Ansatz ist die Navier-Stokes-Gleichungen zeitlich zu mitteln (Reynoldsschen Gleichungen) und für die zusätzlich entstehenden Terme, die aus instationären Effekten herrühren ein Modell zu implementieren. Dies kann z.B. der Prandtlsche Mischungsweg sein, in der Praxis haben sich jedoch die sogenannten turbulenten Wirbelviskositätsmodelle durchgesetzt. Man führt eine "scheinbare Viskosität" ein und beschreibt damit die "turbulenten Spannungen". Modelle, die das machen sind k-eps, RNG, etc. Wesen dieser Modelle ist, dass die instationäre Turbulenz über einen stationären Ansatz abgebildet wird.
Seit neuerem, im Zuge höherer Rechnerkapazitäten werden verstärkt instationäre Modelle eingesetzt, die zumindest mal die Grobstruktur der Turbulenz abbilden (LES/DES). Damit werden die großen, energiereichen (strömungsdomierenden) Wirbel instationär und räumlich abgebildet. Der Zerfall der Wirbel in kleine Wirbel wird über Modelle abgebildet, also nicht aufgelöst. Damit ist man schön näher an der direkten Simulation, aber um die ganze Wirbelkaskade abzubilden, reichen die derzeit verfügbaren Kapazitäten nicht und werden auch in absehbarer Zukunft für ein weites Spektrum technischer Anwendungsfälle nicht reichen.
Dann noch:
Die Simulationen können nur so genau sein, wie die Modelle die dahinter stehen, d.h. "die Genauigkeit" hängt meist von den physikalischen Effekten ab. Will man z.B. eine Ablösung der Strömung an einer gekrümmten Fläche (z.B. Tragflügel) oder einen laminar turbulenten Umschlag berechnen, ist das "exakt" meist nur mit aufwendingen Modellen möglich. Und eine schlechte Übereinstimmung ist zu erwarten, wenn das Modell nicht in der Lage ist den Effekt anzubilden. Hingegegen funktioniert die einfache Rohrströmung schon recht gut, nur interessiert sich leider kaum jemand dafür...
Hoffe das hilft zur Klärung,
Ulrich
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Dr.-Ing. Ulrich Heck
ulrich_heck@dhcae.de
http://www.dhcae.de
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