Eine Frage trennt die Turbulenzansätze: Werden die Wirbel modelliert oder aufgelöst?
Vier Stufen
RANS. Alle turbulenten Skalen werden modelliert; nur das mittlere Feld wird gelöst. Der billigste Weg und der in der Industrie verbreitetste. Für Mittelwerte ausreichend — Druckverlust, Wirkungsgrad, Gesamtwärmestrom. Siehe die Notiz zum Turbulenzmodell.
URANS. Dieselben Modelle, instationär gelöst. Sinnvoll, wenn es ein periodisches Ereignis gibt, das klar von der Turbulenz getrennt ist (Wirbelablösung, Schaufelpassieren). Die Turbulenz selbst wird nicht aufgelöst.
DES / hybrid. Verhält sich in der Grenzschicht wie RANS und im abgelösten Gebiet wie LES. Der Vorschlag von Spalart und Mitarbeitern zielt darauf, die Kosten der Auflösung des wandnahen Bereichs zu vermeiden und zugleich die Wirbel nach der Ablösung aufzulösen [1]. Ein guter Ausgleich dort, wo die Ablösung bestimmt.
LES. Große Wirbel werden aufgelöst, nur die kleinen Skalen modelliert; Smagorinskys Feinstrukturansatz ist das erste Beispiel dieser Familie [2]. Erforderlich für Größen wie Vermischung, Geräusch und Temperaturschwankung.
Das Entscheidungskriterium
| Gesuchte Größe | Ausreichender Ansatz |
|---|---|
| Druckverlust, Wirkungsgrad, mittlere Temperatur | RANS |
| Periodische Kraft, Last aus Schaufelpassieren | URANS |
| Strömung nach der Ablösung, Fahrzeugnachlauf, aerodynamische Schallquelle | DES |
| Mischgüte, Temperaturschwankung, Akustik | LES |
Eine Kostenwarnung
LES und DES sind instationär und müssen Statistik sammeln: Vor Ablauf mehrerer Durchströmzeiten und deren Mittelung liegt kein Ergebnis vor. Die Gesamtkosten können das Hundertfache von RANS erreichen.
Auch die Netzanforderung ist grundsätzlich anders: In LES ist das Netz Teil des Modells — es setzt die Grenze zwischen aufgelösten und modellierten Skalen. Deshalb ist „Netzunabhängigkeit" in LES nicht in dem Sinn definiert, den sie in RANS hat, und die Validierung braucht besondere Sorgfalt. Siehe die Notiz zu Verifizierung und Validierung.
Referenzen
- Spalart, P. R., Jou, W.-H., Strelets, M. & Allmaras, S. R. (1997). Comments on the feasibility of LES for wings, and on a hybrid RANS/LES approach. In Advances in DNS/LES, Greyden Press, Columbus, OH.
- Smagorinsky, J. (1963). General circulation experiments with the primitive equations. Monthly Weather Review, 91(3), 99–164. DOI: 10.1175/1520-0493(1963)091<0099:GCEWTP>2.3.CO;2
- Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149