SIMULIA Fluid Dynamics Engineer Türbülans Modelleri

Bu yazımızda 3DEXPERIENCE platformundan erişebileceğimiz Fluid Dynamics Engineer rolü altında olan CFD çözümlememizdeki türbülans modellerini inceleyeceğiz. Türbülans modellemelerine geçmeden önce türbülans kavramını incelememiz gerekmektedir. Türbülans en özet hali ile tanımlayacak olursak; bir akışkanın hareket halindeki düzensizliği olarak açıklayabiliriz.

Akışkanlar dinamiğinde türbülans veya türbülanslı akış, basınç ve akış hızında meydana gelen kaotik (karmaşık), stokastik (raslantısal) değişimler ile tanımlanan bir akış rejimidir. Akışın hangi rejimde olduğunu atalet kuvvetlerinin viskozite kuvvetlerine oranını belirten boyutsuz Reynolds sayısı ile tahmin edilebilmektedir. Akış modelimizin türüne, geometrimizin ölçülerine göre birtakım farklılıklar göstermekle beraber yüksek Reynolds sayıları türbülanslı akışın habercisidir diyebiliriz.

Türbülans Modellerine Neden İhtiyaç Duymaktayız?

Sıvılar ve gazlar gibi akışkanların hareketini tanımlamaya yarayan bir dizi denklemlere Navier-Stokes denklemleri denilmektedir. Bu denklemler, akışkan içerisindeki birim kütleye etki eden momentum (ivmelenme) değişimlerinin, basınç değişimleri ve sürtünme kayıplarına neden olan viskoz kuvvetlerinin toplamına eşit olduğunun doğruluğunu ortaya koymaktadır. Kısaca Navier-Stokes denklemlerinin akışkanın herhangi bir bölgesindeki kuvvetler dengesinin dinamik ifadesi olduğu söylenebilir. Güçlü basitleştirmeler ve varsayımlar uygulanmadıkça Navier-Stokes denklemlerinin analitik çözümlenmesi yoktur. Endüstri uygulamalarında optimum çözüm süresinde yüksek doğrulukta türbülans etkilerini analizlerimize dahil etmek için türbülans modellerine ihtiyaç duymaktayız.

FLUID DYNAMICS ENGINEER Rolü Türbülans Modelleri

Bulut tabanlı 3DEXPERIENCE platformunda bulunan Fluid Dynamics Engineer rolü ile CFD (Computational Fluid Dynamics) analizlerini gerçekleştirebilmekteyiz. CFD, sınırlandırılmış belirli bir akış hacmi üzerinde akışkan (sıvı veya gaz) etkilerini nümerik olarak inceleme tekniğidir. Bu teknikle ısı transferi problemleri de incelenerek, tasarımlar için gerekli iyileştirmeler öngörülebilir.

Fluid Dynamics Engineer rolünde farklı analiz türlerimiz ve şartlarımız için kullanabileceğimiz 3 adet RANS tabanlı türbülans modelleri bulunmaktadır. Yaptığımız analizin türüne göre önerilen türbülans modellerini birlikte inceleyelim.

Spalart – Allmaras Türbülans Modeli

Spalart Allmaras modeli tek taşınım denklemli bir türbülans modelidir. Modelde hız ölçüsü, kinematik çalkantı viskozitesi değişkenine ait taşınım denklemi ile belirlenirken, uzunluk ölçüsü ise cebrik denklemlere belirlenmektedir.

Kullanım alanı olarak Dış Ortam Aerodinamik analizlerde kullanılmaktadır.

• Binaların rüzgar yüklemesi analizlerinde
• Hava kirlilikleri analizlerinde
• Drone analizlerinde
• Hava kirliliği analizlerinde
• Kamyonların, karavanların, arabaların aerodinamik analizlerinde
• Yüksek hızlı akışların analizlerinde Spalart – Allmaras türbülans modeli kullanılabilir.

Realizable K-Epsilon Türbülans Modeli

K-Epsilon türbülans modeli, akışın türbülans kinetik enerjisine etki eden mekanizmaların çözümlenmesi esasına dayalıdır. Modelde türbülans kinetik enerjisi 𝑘 ve kinetik enerjinin sönümlenme oranı 𝜀, aktarım (convection) yayınım, üretim ve yıkım terimleri ile ifade edilmektedir ve 𝑘 ve 𝜀 taşınım (transport) denklemleri çözümlenerek türbülans viskozitesi dinamik olarak modellenmektedir.

Kullanım alanı olarak ısı transferi olan veya olmayan iç akış senaryoları olarak özetleyebiliriz.

• Boru veya kanal modellemelerinin analizlerinde
• Vana akışlarının analizlerinde
• Emme manifolt analizlerinde
• Egzoz manifolt analizlerinde
• Hava filtreleri analizlerinde
• HVAC analizlerinde
• Batarya soğutma analizlerinde Realizable K-Epsilon türbülans modeli kullanılabilir.

SST K-Omega Türbülans Modeli

Model, k ve ω olmak üzere iki değişken için iki kısmi diferansiyel denklemle türbülansı tahmin etmeye çalışır; birinci değişken türbülans kinetik enerjisi (k), ikincisi (ω) ise (türbülans kinetik enerjisi k’nin) özgül dağılım oranıdır. Çoğu analiz modellemesinde kullanılabilecek bir türbülans modeli olmasıyla birlikte özellikle kullanılması önerilen analiz çeşitleri olarak:

• Isı değiştiricisi analizlerinde
• Motorların termal analizlerinde
• Elektronik soğutma analizlerinde
• Çok türlü akış analizlerinde (gaz + gaz veya sıvı + sıvı)
• Karmaşık iç akış analizlerinde diye özetleyebiliriz.

Bu bloğumuzda Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği dünyasının önemli bir parçası olan türbülans modellerine yönelik bir giriş yaparak, Fluid Dynamics Engineer rolünde bulunan türbülans modellerini inceledik. Fluid Dynamics Engineer rolü ve birçok ürünümüz hakkında daha fazla bilgi almak için hemen bizimle iletişime geçin.