Modification of a three-equation eddy-viscosity turbulence model for anisotropic turbulence - Yangaz, Murat Umut (My University, 2024)
Türbülans, bir akış alanı içindeki hız, basınç ve yoğunluktaki düzensiz dalgalanmaları kapsayan, akışkanlar dinamiğinde karmaşık, kaotik ve her yerde bulunan bir olgudur. Türbülansın anlaşılması ve doğru şekilde modellenmesi, karmaşık ve çok ölçekli doğası nedeniyle temel zorluklar olmaya devam etmektedir. Türbülanslı akışlar, havacılıkta aerodinamikten endüstriyel proseslerde ısı transferine kadar çeşitli mühendislik uygulamalarında önemli bir rol oynamaktadır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiğinde (HAD), türbülanslı akışların simüle edilmesi, hız dağılımı, türbülans kinetik enerjisi ve kayma gerilimi gibi temel akış özelliklerini yakalamak için türbülans modellerinin kullanılmasını gerektirir. En sık kullanılan türbülans modelleri arasında yer alan Reynolds-Ortalamalı Navier-Stokes (RANS) modelleri, Navier-Stokes denklemlerinin zaman ortalamasını alarak hesaplamalı fizibilite sunar. Bununla birlikte, geleneksel RANS modelleri, türbülansın doğasında olan anizotropik doğasını göz ardı ederek izotropi varsaymaktadır. Anizotropi, türbülans özelliklerinin yönsel bağımlılığını ifade eder. Anizotropinin ihmal edilmesi, özellikle karmaşık geometrilerde veya katı sınırlara yakın akış olaylarının tahmin edilmesinde yanlışlıklara yol açabilir. Türbülans modellemesinde daha iyi doğruluk için anizotropik etkilerin dahil edilmesi çok önemli hale gelir. Anizotropi, bir akış alanındaki momentumun, enerjinin ve skaler niceliklerin taşınmasını etkileyerek türbülansı önemli ölçüde etkiler. Türbülanslı akışlardaki girdapların farklı ölçekleri göz önüne alındığında, anizotropiyi çözmek için RANS tabanlı bir modeli değiştirmek, iki zamanlı ölçek yaklaşımını Reynolds-Stress Modeli (RSM) bağlamında birleştirmeyi içerir. Bu değişiklik, farklı türbülans ölçeklerindeki anizotropik etkileri hesaba katmayı amaçlamaktadır. Değiştirilen model, anizotropik etkileri daha doğru bir şekilde yakalayarak, özellikle duvarların yakınında veya türbülanslı sınır katmanları gibi anizotropinin önemli bir rol oynadığı bölgelerde simülasyonların doğruluğunu artırabilir. Bu yaklaşım, tüm çalkantılı ölçekleri çözen ve çok büyük hesaplama kaynakları gerektiren Doğrudan Sayısal Simülasyon (DNS) ile karşılaştırıldığında, özellikle hesaplama verimliliği açısından potansiyel etkiler taşır. Değiştirilen modelin, DNS'ye kıyasla daha düşük hesaplama taleplerini korurken anizotropiyi verimli bir şekilde çözme yeteneği, onu pratik mühendislik uygulamaları, doğruluk ve hesaplama maliyetinin dengelenmesi için umut verici bir çözüm olarak konumlandırıyor. Özetle, RANS tabanlı türbülans modellerinde anizotropinin ele alınması, simülasyonların doğruluğunun artırılması açısından önemlidir. Anizotropiyi iki zamanlı ölçek çerçevesinde birleştiren önerilen değişiklik, DNS ile ilişkili hesaplama yükünü hafifletirken türbülanslı akışlarda daha doğru tahminler için umut vaat ediyor.

Turbulence stands as a complex, chaotic, and ubiquitous phenomenon in fluid dynamics, encompassing irregular fluctuations in velocity, pressure, and density within a flow field. Understanding and accurately modeling turbulence remain fundamental challenges due to its intricate, multi-scale nature. Turbulent flows play a pivotal role across various engineering applications, from aerodynamics in aviation to heat transfer in industrial processes. In computational fluid dynamics (CFD), simulating turbulent flows necessitates the use of turbulence models to capture essential flow characteristics like velocity distribution, turbulent kinetic energy, and shear stress. Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) models, among the most commonly employed turbulence models, offer computational feasibility by time-averaging the Navier-Stokes equations. However, conventional RANS models assume isotropy, overlooking the inherent anisotropic nature of turbulence. Anisotropy refers to the directional dependence of turbulent properties. Neglecting anisotropy can lead to inaccuracies in predicting flow phenomena, especially in complex geometries or near solid boundaries. The inclusion of anisotropic effects becomes crucial for better accuracy in turbulence modeling. Anisotropy significantly influences turbulence, affecting the transport of momentum, energy, and scalar quantities in a flow field. Considering the diverse scales of eddies in turbulent flows, modifying a RANS-based model to resolve anisotropy involves incorporating a two-time scale approach in context with a Reynolds-Stress Model (RSM). This modification aims to account for anisotropic effects in different scales of turbulence. By capturing anisotropic effects more accurately, the modified model could enhance the fidelity of simulations, especially in regions where anisotropy plays a crucial role, such as near walls or in turbulent boundary layers. This approach carries potential impacts, notably in computational efficiency compared to Direct Numerical Simulation (DNS), which resolves all turbulent scales and demands immense computational resources. The modified model's ability to resolve anisotropy efficiently while maintaining lower computational demands compared to DNS positions it as a promising solution for practical engineering applications, balancing accuracy and computational cost. In summary, addressing anisotropy in RANS-based turbulence models is essential for improving the accuracy of simulations. The proposed modification incorporating anisotropy within a two-time scale framework holds promise for more accurate predictions in turbulent flows while mitigating the computational burden associated with DNS.
Üç denklemli bir eddy viskozite türbülans modelinin anizotropik türbülans için geliştirilmesi
Keywords: Akışkanlar mekaniği; CFD; Fluid mechanics; HAD Turbulence Modelling; İki-Zaman-Ölçekli Model; Reynolds-Stress Model; Reynolds-Stress Modeli; Three-Equation Turbulence Model; Türbülans Modelleme; Two-Time-Scale Model; Üç Denklemli Türbülans Modeli