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pág 1 de 17 25/3/2014 Aplicación Práctica de Aerodinámica Computacional (ANSYS-FLUENT) Aplicación Práctica de Aerodinámica Computacional (ANSYS-FLUENT) Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant Sant Turbulencia. Qué es y su Tratamiento Turbulencia. Qué es y su Tratamiento Contenido. Turbulencia. Qué es y su Tratamiento. Contenido. Turbulencia. Qué es y su Tratamiento. Introducción. n Clasificación del movimiento. Efecto de la viscosidad. ¿Qué es la turbulencia?. Descripción de la Turbulencia. n Cascada de energía. Escalas. n Métodos de predicción de la turbulencia. DNS, RANS y LES. Modelo DNS (Direct Numerical Simulation). Turbulencia. Qué es y su Tratamiento Modelo RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes). n Boussinesq. Una-Ecuación: Spalart-Allmaras. Dos-Ecuaciones: k-e (Standard, RNG y Realizable), k-w, k-L. n RSM (Reynolds Stress Modeling). n Modelizado cerca de la pared. Función de pared, Dos-Zonas, Bajo-Re. Modelo LES (Large Eddy Simulation). 2 Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

Cap 4 - Turbulencia - 07 - 2 Por Pagina

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    Aplicacin Prctica de Aerodinmica Computacional (ANSYS-FLUENT)Aplicacin Prctica de Aerodinmica Computacional (ANSYS-FLUENT)

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo SantSant

    Turbulencia. Qu es y su TratamientoTurbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Contenido.Turbulencia. Qu es y su Tratamiento.

    Contenido.Turbulencia. Qu es y su Tratamiento.

    Introduccin. n Clasificacin del movimiento. Efecto de la viscosidad. Qu es la turbulencia?.

    Descripcin de la Turbulencia. n Cascada de energa. Escalas.n Mtodos de prediccin de la turbulencia. DNS, RANS y LES.

    Modelo DNS (Direct Numerical Simulation).

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Modelo RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes).n Boussinesq.

    Una-Ecuacin: Spalart-Allmaras. Dos-Ecuaciones: k-e (Standard, RNG y Realizable), k-w, k-L.

    n RSM (Reynolds Stress Modeling).n Modelizado cerca de la pared. Funcin de pared, Dos-Zonas, Bajo-Re.

    Modelo LES (Large Eddy Simulation).

    2Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

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    IntroduccinClasificacin del Movimiento de los Fluidos Viscosos.

    IntroduccinClasificacin del Movimiento de los Fluidos Viscosos.

    SEGN LA ESTRUCTURA INTERNA DEL FLUJO:

    Movimiento LAMINAR Unas capas deslizan sobre otras sin

    mezclarse. En general a velocidades bajas.

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 3

    Movimiento TURBULENTO Las capas del fluido se mezclan

    entre si por agitacin. El flujo tiende a uniformizarse. Es el ms frecuente en la

    naturaleza.

    V

    uFluido Ideal

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    Introduccin.Efecto de la Viscosidad.

    Introduccin.Efecto de la Viscosidad.

    Experimento de Osborne REYNOLDS:Profesor de ingeniera britnico. Estudio de movimiento en tubos (1883).

    Laminar

    Turbulento

    Inyector

    agua

    tinta

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Conclusin:El cambio de laminar a turbulento depende del parmetro rvD/m, nmero de Reynolds (Re).

    El proceso presenta histresis:v rgimen laminar hasta Re 10.000v rgimen turbulento hasta Re 2.300

    4

    c

    ccc

    lv

    =Re

    Re

    I

    10.0002.300

    (5.700)(3.000)Entre placas

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

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    Introduccin.Influencia del nmero de Reynolds.

    Introduccin.Influencia del nmero de Reynolds.

    40 < Re < 150

    5-15 < Re < 40

    Re < 5

    Calle de torbellinos laminares (Von Karman).

    Dos torbellinos laminares estables en la estela.

    Flujo adherido (sin separacin)

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 5

    Re > 3,5106

    3105 < Re < 3,5106

    150 < Re < 3105

    Calle de torbellinos turbulentos, pero ms estrecha que en laminar.

    Transicin de la capa lmite a turbulenta antes del punto de separacin, estela turbulenta.

    Capa lmite laminar hasta el punto de separacin, estela turbulenta.

    (Von Karman).

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

    Introduccin.Influencia del Reynolds. Transicin a Turbulento

    Introduccin.Influencia del Reynolds. Transicin a Turbulento

    Flujos Externos.

    Flujos Internos.

    Rex 500.000 sobre superficiedonde

    Otros factores, como la turbulencia de la corriente libre, la rugosidad superficial, soplado, succin, etc., pueden provocar la transicin a

    etc.,,, hddxL =Red 20.000 en obstculos

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 6

    Conveccin Natural.

    donde

    pueden provocar la transicin a Reynolds menores.

    (Nmero de Rayleigh)

    (Nmero de Prandtl)

    Redh 2.300 en conductos

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    IntroduccinQue es la Turbulencia?

    IntroduccinQue es la Turbulencia?

    Movimiento irregular, no estacionario, en el que las cantidadestransportadas de masa, cantidad de movimiento, energa, fluctan conla posicin y con el tiempo.La Turbulencia es Intrnsecamente Tridimensional y no Estacionaria.

    Disipacin de turbulencia generada por una rejillaDisipacin de turbulencia generada por una rejilla..

    Es impredecible en detalle. Contiene gran variedad de

    tamaos de torbellinos (escalas).

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 7

    Capa lmite turbulenta Capa lmite turbulenta sobresobre una placauna placa

    Disipacin de turbulencia generada por una rejillaDisipacin de turbulencia generada por una rejilla.. Identificable por patrones de

    torbellinos tpicos: estructuras coherentes. n Las estructuras coherentes de

    gran escala son distintas para cada flujo.

    n Los torbellinos pequeos son ms universales.

    n La escala grande contiene la mayor parte de la energa.

    Estructuraspequeas Estructuras

    grandesChorro turbulentoChorro turbulento

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

    Descripcin de la TurbulenciaCascada de Energa

    Descripcin de la TurbulenciaCascada de Energa

    Ramificacin de Torbellinos (Vortex Stretching).n Torbellino implica concentracin de vorticidad (w = V).

    La vorticidad se concentra a lo largo de hilos de torbellinos o en manojos. Los hilos/manojos de torbellinos se deforman por las velocidades inducidas por los

    torbellinos mayores.

    Cascada de Energa.n La turbulencia no es un fenmeno de equilibrio. Decae por disipacin viscosa.

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Se forma un torbellino grande en el flujo principal, aumenta su energa (generacin de la turbulencia).

    La energa es transferida a las escalas pequeas (por la ramificacin de los torbellinos) donde es disipada (por la difusin viscosa).

    8

    La tasa de transferencia de energa de los torbellinos grandes a los pequeos

    -dK/dt

    La tasa de disipacin de la energa en los torbellinos pequeos

    e = -dk/dt.=

    ( )2 2 212= + +K U V WEnerga cintica

    ( )2 2 212k u v w = + +Energa cintica turbulenta

    u U u= +

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

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    Descripcin de la Turbulencia Escalas Pequeas vs. Escalas Grandes

    Descripcin de la Turbulencia Escalas Pequeas vs. Escalas Grandes

    Comparando l (escala grande) con h (escala pequea):

    donde (Nmero de Reynolds Turbulento).

    Consecuencia de las escalas.

    h

    Re TTu lrm

    =

    1lh

    >>( ) 43 /ReTl

    h

    1/2Tu k=

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Consecuencia de las escalas.El nmero de celdas.

    Ejemplo: flujo en un canal 2D

    Ncel ~ (4 l/h)3 o Ncel ~ 64(ReT)9/4donde ReT = ruTH/2m.

    ReH = 30.800 ReT ~ 400 Ncel ~ 40x106 !

    Solo es abordable para problemas muy sencillos.9

    Hl

    4 filas y 4 columnas

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

    Descripcin de la Turbulencia Mtodos de Prediccin de la Turbulencia

    Descripcin de la Turbulencia Mtodos de Prediccin de la Turbulencia

    l h = l/ReT3/4

    Cascada de la EnergaInyeccin de energa Disipacin de energa

    Torbellinos de disipacinTorbellinos de gran escala Flujo de la energa

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 10

    RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes)

    LES (Large Eddy Simulation)

    DNS (Direct Numerical Simulation)

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

  • pg 6 de 17 25/3/2014

    Modelos de Turbulencia.Direct Numerical Simulation (DNS)

    Modelos de Turbulencia.Direct Numerical Simulation (DNS)

    DNS es la resolucin de las ecuaciones de Navier-Stokes completas.

    C. Mov:

    Para el ejemplo del canal 2D:

    +

    -=

    +

    j

    i

    kik

    ik

    ixU

    xxp

    xUU

    tU

    mr

    h

    4 filas y 4 columnas

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Para el ejemplo del canal 2D:ReH = 30.800Ncel ~ 40x106

    N de incrementos de tiempo ~ 48.000

    No es adecuado para la aplicacin industrial del CFD.Solo es abordable para geometras sencillas y Re turbulento pequeo.Es muy til como herramienta de investigacin.

    Comparacin de resultados de los modelos de turbulencia.

    11

    Hl

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

    Modelos de Turbulencia. Modelizacin de las Escalas Pequeas

    Modelos de Turbulencia. Modelizacin de las Escalas Pequeas

    Se pueden utilizar dos mtodos para eliminar la necesidad de resolver todas las escalas de turbulencia:

    Reynolds Averaging (RANS).n Se resuelven las ecuaciones de transporte para los valores medios.n Se modelizan todas las escalas de turbulencia.

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Filtering (LES).n Ecuaciones de transporte para las escalas que se pueden resolver.n Resuelve los torbellinos mayores. Modeliza los menores.n Inherentemente no estacionario.

    Ambos mtodos introducen trminos adicionales que deben ser modelizados para cerrar el problema.

    12Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

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    Modelo RANS.Descomposicin de la Velocidad

    Modelo RANS.Descomposicin de la Velocidad

    Consideremos un punto (x) del campo fluido:

    Analizando la velocidad:

    u'i

    ui

    u.x cte=r

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    La podemos descomponer como:

    13

    Uiui

    tiempot

    ( ) ( ) ( ), , ,i i iu x t U x t u x t= +r r r

    Velocidadinstantnea

    FluctuacinVelocidad

    media o principal

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

    Modelo RANS.Velocidad MediaModelo RANS.Velocidad Media

    Flujos estacionarios: Time Averaging

    Se denomina con frecuencia Reynolds average a esta media (temporal).

    u

    T

    ( ) ( )0

    0

    1lim ,t T

    i iTt

    U x u x t dtT

    +

    =

    r r

    ( ) ( ) ( ), , ,i i iu x t U x t u x t= +

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Flujos peridicos (o quasi-peridicos): Ensemble Averaging

    14

    ( ) ( ) ( )1

    1, lim ,N

    ni iN n

    U x t u x tN =

    = r r

    U

    n = n del periodo.

    ( ) ( ) ( ), , ,i i iu x t U x t u x t= +r r r

    t

    u

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

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    Modelo RANS. Velocidad MediaModelo RANS. Velocidad Media

    Contorno de velocidad instantneo.

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Contorno de velocidad medio (Time Averaging)

    15Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

    Modelo RANS. Ecuacin de Cantidad de Movimiento

    Modelo RANS. Ecuacin de Cantidad de Movimiento

    Ecuaciones RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes):Sustituyendo u = U + u:

    Dv pDt

    mr t= - + i i ikk i j j

    u u uput x x x x

    r m

    + = - +

    ( )( ) ( ) ( )( ) i i i i i ik kk i j j

    p pU u U u U uU ut x x x x

    r m + + + ++ + = - +

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Reglas: f = F + f y y = Y + y

    Operando ...

    Aparecen nuevos trminos (esfuerzos turbulentos de Reynolds):

    Los esfuerzos de Reynolds son los trminos a modelizar.16

    k i j j

    +

    -=

    +

    +

    j

    i

    jik

    ki

    k

    ik

    i

    xU

    xxp

    xuu

    xUU

    tU

    mr''

    -

    +

    -=

    +

    ji

    j

    i

    jik

    ik

    i uuxU

    xxp

    xUU

    tU ''rmr

    jiij uuR ''r-=

    ; 0; 0; 0; F j j Fy j y jy FY j y = = +

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

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    Modelo RANS. La Aproximacin de Boussinesq

    Modelo RANS. La Aproximacin de Boussinesq

    Por analoga, Boussinesq relaciona los esfuerzos de Reynols con una viscosidad turbulenta, mt, del flujo medio.

    mt es un escalar (Rij queda alineado con Sij).

    ijij SR t2m Hay que modelizar mt

    ( )yx tUy

    t m m

    = +

    +

    =i

    j

    j

    iij x

    UxUS

    21

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Los modelos se clasifican segn el n de ecuaciones resueltas:

    Una-Ecuacin (k): Spalart-Allmaras

    Dos-Ecuaciones:

    (k-e): Standard k-e, RNG k-e, Realizable k-e.(k-w): Standard k-w (Wilcox) y k-w Shear Strees Transport (Menter).(k-L): Smith.

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE 17

    ( )2 2 212k u v w = + +Energa cintica turbulenta.

    e = -dk/dtTasa de disipacin turbulenta.

    Modelo RANS. Modelo Reynolds Stress Modeling (RSM)

    Modelo RANS. Modelo Reynolds Stress Modeling (RSM)

    Limitaciones del modelo de Boussinesq: Rij = 2mtSijEs suficiente con una simple relacin lineal?.

    Rij es muy dependiente de las condiciones del flujo y de la historia. Rij no solamente cambia con el proceso del flujo medio.

    Rij no estrictamente alineado con Sij para flujos con: Cambios bruscos en la tasa de deformacin del flujo medio. Tasa de deformacin extra (dilatacin rpida, lnea corriente muy curvada).

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Tasa de deformacin extra (dilatacin rpida, lnea corriente muy curvada). Flujos rotativos. Flujos secundarios inducidos por los esfuerzos.

    Solucin:

    Inconvenientes del Reynolds Stress Modeling (RSM):Necesita ms potencia de CPU: 5 ecuaciones en 2D, y 7 en 3D.

    50-60% ms tiempo por iteracin y 15-20% de memoria adicional.Puede incrementar mucho n de iteraciones para la convergencia.

    Esfuerzos de Reynolds muy acoplados con el flujo medio.

    18

    modelizar directamente Rij

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

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    Modelo RANS. Pared: Importancia de la Turbulencia.

    Modelo RANS. Pared: Importancia de la Turbulencia.

    Las paredes son las principales fuentes de turbulencia.

    Para muchas de las aplicaciones de ingeniera es importante modelizar con precisin la zona prxima a las paredes:

    n La correcta prediccin de la resistencia de friccin para flujos externos, o de la prdida de carga para flujos internos, dependen de la fidelidad en la prediccin del esfuerzo viscoso en la pared.

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    n La resistencia de presin en cuerpos romos depende sobre todo del punto de desprendimiento.

    n El rendimiento trmico de los intercambiadores de calor, etc., se determina por la transferencia de calor a travs de las paredes, cuya prediccin depende sobre todo de los efectos cerca de esta.

    19Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

    Modelo RANS. Pared: Comportamiento Cerca de la Pared

    Modelo RANS. Pared: Comportamiento Cerca de la Pared

    kU/ut

    t

    +

    n=

    uyy/

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Estructura del perfil de velocidad:Capa Interior, subcapa viscosa.

    Ley de fuerzas viscosas, U = f(r, tw, m, y).

    Capa de solape. Ley logartmica.Capa exterior. Depende del flujo medio.

    20

    Disipacin >> Produccin de k.

    Produccin Disipacin de k.Equilibrio turbulento.

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

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    Modelo RANS. Pared: Estrategias Cerca de la Pared

    Modelo RANS. Pared: Estrategias Cerca de la Pared

    Mtodo de Funcin de Pared

    Mtodo de Dos-Zonas y Modelo para Bajo-Re

    inner layer

    outer layer

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 21

    No se resuelve la subcapa viscosa.w Se asume que el centroide de la celda

    adyacente a la pared est el la capa logartmica (y+ = 30-500).

    w La informacin del centro de la celda es puenteada por la funcin de pared.

    w Se pueden utilizar en los modelos completamente turbulentos de Alto-Re.

    Se resuelve completamente la regin cerca de la pared, hasta esta.

    w Requiere que la celda adyacente a la pared est en la subcapa viscosa (y+ < 5).

    w Los modelos de Bajo-Re son completamente vlidos a travs de ella.

    w Modelo de Dos-Zonas.Usa modelo ms simple en la subcapa viscosa.

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

    Modelo LES.Filtrado

    Modelo LES.Filtrado

    Para ESTELAS NO ESTACIONARIAS: media espacial (filtro) sobre cada celda de la malla.

    ui

    xiD

    ui Ui

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    En general,

    La velocidad se descompone como:

    n Observar que y por tanto, al contrario que en RANS, .

    22

    donde V es el volumen de la celda

    1( , ) ( ', ; ) 'i iv

    U x t u x t x dxV

    = r r r r r r

    i iU u ' 0iu

    'i i iu U u= +rr r

    Velocidad localFluctuacinVelocidad

    media o principal

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

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    Modelo LES.Ecuaciones Principales

    Modelo LES.Ecuaciones Principales

    Por filtrado (media espacial) de ecuaciones de Navier-Stokes:

    Los trminos de los esfuerzos SGS (subgrid-scale) tij son:

    0

    ( ) 1

    i

    i

    i j iji i

    j i j j j

    Ux

    U UU Upt x x x x x

    tn

    r

    =

    + = - + -

    ij i j i ju u U Ut -

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Lij : esfuerzos de Leonard. Interacciones entre las escalas resueltas.Cij : trmino cruzado. Interacciones entre los trminos resueltos y los no resueltos.Rij : esfuerzos de Reynolds SGS. Interacciones entre escalas pequeas no resueltas.

    Todos estos trminos se modelizan juntos.23

    {' ' ' 'ij i j i j i j i j i jijijij

    U U u u U u u U u uRCL

    t = - + + +14243 1442443

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

    Modelos de TurbulenciaResumen

    Modelos de TurbulenciaResumen

    Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) (media temporal).Flujos estacionarios o no estacionarios peridicos.

    Para cerrar el problema: modelizar los esfuerzos de Reynolds.Modelos de Boussinesq (Rij=2mtSij): modeliza mt

    Una-Ecuacin (Spalart-Allmaras). Funciona bastante bien para varios tipos de flujos. Dos-Ecuaciones (p.e. k-e). Es uno de los ms utilizados en el CFD industrial.

    Modelizado del Esfuerzo de Reynolds (RSM) (5 ecuaciones en 2D, 7 en 3D)

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    Modelizado del Esfuerzo de Reynolds (RSM) (5 ecuaciones en 2D, 7 en 3D) Necesario para flujos complejos, anistropos.

    Opciones para el modelizado cerca de la pared:Funciones de pared.

    No resuelven la subcapa viscosa ni la de solape. Fallan en esfuerzo en pared.Dos-Zonas y Modelos de Bajo-Re.

    Resuelven la subcapa viscosa. Costoso de clculo. Calculan esfuerzo en pared.

    Large Eddy Simulation (LES) (media espacial). Flujos no estacionarios.

    24Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

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    Modelos de TurbulenciaModelos de Turbulencia Disponibles en FLUENT

    Modelos de TurbulenciaModelos de Turbulencia Disponibles en FLUENT

    Aumento del coste de clculo

    Modelos RANS

    One-Equation ModelSpalart-Allmaras

    Two-Equation ModelsStandard k

    RNG kRealizable k

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 25

    coste de clculo por iteracin

    *Necesita licencia aparte

    RANS Standard kSST k

    4-Equation v2f *7-Eq. Reynolds Stress Model (RSM)

    kkl Transition ModelSST Transition Model

    Detached Eddy Simulation (DES)Large Eddy Simulation (LES)

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

    Modelos de TurbulenciaModelos ms Representativos

    Modelos de TurbulenciaModelos ms Representativos

    Comentario- Flujo estacionario o peridico.- Velocidad Media como media temporal de la velocidad.Esfuerzos turbulentos de Reynolds: Rij = 2mtS ij. - Hay que modelizar mt (viscosidad turbulenta)

    - Ecuacin algebraica para viscosidad turbulenta.

    Longitud de mezcla Prandtl ( l mix ) m t = r lmix2(2S ijS ij)1/2. - Muy grosero pero muy econmico. Falla en flujos desprendidos. Se pierden los efectos de la historia aguas arriba.

    K Spalart-Allmaras (S-A) k = 1/2(u'2+v' 2+w' 2 ) , energa cintica turbulenta. Econmico y preciso para flujos internos o capa lmite adherida, incluso flujo poco desprendido o recirculacin. Se

    puede integrar en capa logartmica y viscosa. Admite funcin de pared. Falla para flujos bastante desprendidos y chorros. Razonable en estelas.

    Standard K - e (SKE)Alto-Re. e = -dk/dt (tasa de variacin k).- Muy afinado para descripcin idealizada de turbulencia. Se puede incluir flotabilidad y compresibilidad. Robusto (poco sensible a valor de e en entrada y campo lejano) y econmico. Razonablemente preciso para muchos movimientos. Demasiado difusivo en lneas de corriente muy curvadas, remolinos, flujo separado o Bajo-Re. Falla en tasa de difusin de chorros.

    RNG K - e (RNG)(ReNormalization Group)

    ReNormalization Group: adimensionalizacin adecuada para independizarse de la escala.- Mejora Standard k - e en flujos que se deforman mucho (choque con pared), muy curvados, con separacin o Bajo-Re. Se puede incluir flotabilidad y compresibilidad.- Limitaciones inherentes a modelo de turbulencia-viscosidad isotrpica (pared).

    Modelo de TurbulenciaRANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes).

    Boussinesq

    Cero-Ecuaciones

    Una-Ecuacin

    Dos-Ecuaciones

    K- e

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 26

    (ReNormalization Group) - Limitaciones inherentes a modelo de turbulencia-viscosidad isotrpica (pared).

    Realizable K - e (RKE)Asegura valor + en esfuerzos normales y la desigualdad Schwarz para los tangenciales.- Mejora Standard k - e en flujos que se deforman rpidamente: recirculacin, rotacin, separacin, fuerte gradiente de p. Se puede incluir flotabilidad y compresibilidad. Resuelve tasa disipacin de chorros. Limitaciones inherentes a modelo de turbulencia-viscosidad isotrpica (pared).

    K-L Smith L = escala de longitud. Mejor para flujo compresible limitado por paredes.- Falla en cizalladura: chorros, estelas largas, capas de mezcla. No robusto: sensible a valores de L en entrada y en campo lejano.K- w Wilcox w = vortic idad. Resuelve chorros. Admite compresibilidad y Bajo-Re. Razonable para efecto Bajo-Re cerca de pared, sin funcin amortiguamiento, y transicin.- Poco robusto: algo sensible a valores de w en entrada y en campo lejano.

    Esfuerzos turbulentos de Reynolds: R ij = 2 m t S ij + otros trminos.- R i j no est estrictamente alineado con S ij si hay cambios bruscos, dilatacin, mucha curvatura, flujos rotativos. Se puede tener en cuenta compresibilidad y anisotropa cerca de pared. Tiene en cuenta los efectos de curvatura, remolinos y rotacin. Mas caro que k - e : 50-60% ms tiempo por iteracin, 15-20% ms memoria y bastantes ms iteraciones.

    Cerca de la pared se distinguen tres zonas afectadas por esta: 1 la ms cercana: subcapa viscosa (y +

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    Ejemplos de Flujo TurbulentoPerfil NACA 0012. Distribucin de Cp

    Ejemplos de Flujo TurbulentoPerfil NACA 0012. Distribucin de Cp

    Flujo Transnico. M = 0,8 ; Rec = 9106, a = 2,26

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su TratamientoProfesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE 27

    Modelos de Una-Ecuacin (Spalart-Allmaras) y Dos-Ecuaciones (SKE, RNG, RKE) con funcin de pared estndar.

    Modelo RNG con distintas funciones de pared.

    Ejemplos de Flujo TurbulentoPerfil NACA 0012. Capa LmiteEjemplos de Flujo TurbulentoPerfil NACA 0012. Capa Lmite

    Flujo Transnico. M = 0,8 ; Rec = 9106, a = 2,26

    RNG + Standard wall functionsRNG + Standard wall functions

    Detalle de la separacin de la capa lmite.

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 28

    RNG + NonRNG + Non--eq. wall functionseq. wall functions

    SpalartSpalart--AllmarasAllmaras

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    Ejemplos de Flujo TurbulentoAdaptador de Conducto Circular a Rectangular

    Ejemplos de Flujo TurbulentoAdaptador de Conducto Circular a Rectangular

    Fuerte gradiente de presin, se genera flujo secundario y un par de torbellinos en la direccin de la corriente.

    Calculado usando SKE, RNG, y RSM con funciones de pared estndar. Contornos de velocidad axial en estacin 6:

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 29

    SKE RNG RSM

    Medido

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    Ejemplos de Flujo TurbulentoCilindro con borde de ataque romo

    Ejemplos de Flujo TurbulentoCilindro con borde de ataque romo

    Turbulent flow past a blunt flat plate was simulated using four different turbulence models.n 8,700 cell quad mesh, graded near leading edge and reattachment location.n Non-equilibrium boundary layer treatment

    000,50Re =Rx

    0U

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 30

    N. Djilali and I. S. Gartshore (1991), Turbulent Flow Around a Bluff Rectangular Plate, Part I: Experimental Investigation, JFE, Vol. 113, pp. 5159.

    D

    000,50Re =D

    Recirculation zone Reattachment point

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    Ejemplos de Flujo TurbulentoCilindro con borde de ataque romo

    Ejemplos de Flujo TurbulentoCilindro con borde de ataque romo

    RNG kStandard k

    Contours of Turbulent Kinetic Energy (m2/s2)

    0.49

    0.56

    0.63

    0.70

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 31

    Reynolds StressRealizable k

    0.00

    0.07

    0.14

    0.21

    0.28

    0.35

    0.42

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

    Ejemplos de Flujo TurbulentoCilindro con borde de ataque romo

    Ejemplos de Flujo TurbulentoCilindro con borde de ataque romo

    Predicted separation bubble:

    Standard k (SKE)

    Skin Friction CoefficientCf 1000

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 32

    SKE severely underpredicts the size of the separation bubble,

    while RKE predicts the size exactly.

    Realizable k (RKE)

    Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE

    Experimentally observed reattachment point is atx / D = 4.7

    Distance Along Plate x / D

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    Ejemplos de Flujo TurbulentoCyclone

    Ejemplos de Flujo TurbulentoCyclone

    40,000-cell hexahedral mesh

    High-order upwind scheme was used.

    Computed using SKE, RNG, RKE and RSM (second moment 0.2 m

    Uin = 20 m/s

    0.1 m

    0.12 m

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento

    and RSM (second moment closure) models with the standard wall functions

    Represents highly swirling flows (Wmax = 1.8 Uin)

    33

    0.2 m

    0.97 m

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    Ejemplos de Flujo TurbulentoCyclone

    Ejemplos de Flujo TurbulentoCyclone

    Tangential velocity profile predictions at 0.41 m below the vortex finder

    Tema 6Turbulencia. Qu es y su Tratamiento 34Profesores: Luis Ayuso y Rodolfo Sant - EIAE