אתגר של תזרים מורכבים

טורבולנס הוא אחד התופעות הקשות ביותר למודל מדויק בדינמיקה נוזלית.בעוד שהפרעות אקוטרופיות – שבו תכונות סטטיסטיות הן אחידות בכל הכיוונים – הוא אידיאליזציה מועילה, זרימת העולם האמיתי הן לעתים רחוקות איזוטרופיות.באווירה, דינמיקה של מכוניות, יישומים סביבתיים, זרימה נשלטת על ידי תלות כיוון המוטלת על ידי קירות, שכבות הרדאר, וכוחות גוף אלה.

הבנה של Anisotropic Turbulence

זעזועים אנסטיים מתעוררים כאשר תנודות המהירות הסוערות הן שונות סטטיסטית לאורך כיוונים מרחביים שונים.בניגוד להפרעות איזוטרופיות, שבו מתח ריינולדס הוא spherical ואת האנרגיה הקינטית הסוערת הוא אפילו מבוזר, זרימת anisotropic מציגה הטיה ברורה כיוון.

  • (FLT:0) ו-Vall-bounded Flow:FLT:1 בשכבה גבולית, תנודות מהירות בכיוון הקיר-נורמלי הן מוגבלות מאוד, בעוד שרכיבים זרמיים ופסווינטליים שולטים.
  • (FLT:0) Shear זורם: FLT:1 שכבות של Shear חינם, מתעוררות, ומטוסים הם אנזוטרופיים בשל ⁇ מהירות משמעות.אנרגיה קינטית טורבולית מיוצרת מעדיף בכיוון של Shear, המוביל לחוסר איזון כיוון.
  • (FLT:0) זרמים מסובכים ונרקבים: LT:1 בזרימים סביבתיים וגיאופיזיקה, buoyancy או Coriolis לכפות כיוונים מועדפים. Aאטמוספירה גבולות, למשל, הם אנזוטרופיים מאוד ליד פני השטח עקב Shear, בעוד aloft הם עשויים לפתח anisotropy מstratification תרמי.
  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

האופי המדויק של זעזועים אנזוטרופיים הוא חיוני כי האנזוטרופיה משפיעה ישירות על הלחץ של ריינולדס המופיע במשוואות נארו-Stokes (RANS) של ריינולדס, אם מודל אינו מצליח לייצג את האנזוטרופיה הנכונה, את זרימת החיזוי - במיוחד הפרדה ושיקום - יכול להיות באופן משמעותי בשגיאה.

מדוע מודלים איסובטרופיים נופלים קצרים

מודלים רבים של זעזועים בשימוש נפוץ, כגון תקן FLT:0 (kkásph:1-ε ו-FLT:2kcioFLT 3- ⁇ SST מודלים, מבוססים על ההשלכות של Bousinesq eddy-viscosity השערה.זה מניח כי הלחץ הוא תואמים עם שיעור הזנים הממוצע, עם קשקשים יסודיים, אשר מכיל את המידות לא נכונה.

  • (FLT:0) חיזוי מדויק של הפרדה זרימה: ההרחבה: Eddy-viscosity מודלים לעתים קרובות נכשלים לתפוס את המיקום הנכון ואת היקף ההפרדה על אווירי או ב diffusers כי הם מזלזלים ב anisotropy של זעזוע הקירבה.
  • (ב) ⁇ :0) ייצוג של זרמים משניים: FLT:1 בדוכסים שאינם ימיים, אנזוטרופיה מניע תנועות משניות (למשל, פרימיות פינה) שמודלים של eddy-viscosity אינם יכולים לייצר.
  • (FLT:0Mis חישוב של ערבוב וחום העברה: ⁇ 1 במטוסים ותעוררים, שיעור התפוצה תלוי ב anisotropy של מתחי ריינולדס; מודלים איזוטרופיים לעתים קרובות over- או under-predict להפיץ.

המגבלות של הנחות איזוטרופיות מתועדות היטב בספרות.לדוגמה, מחקרים השוואת תחזיות RANS לזרימה מעל מופע צעד לאחור שבעוד FLT:0kigtureFLT:1- מודלים ללכוד את אורך ההקצאה עם הצלחה מתונה, הם מתגעגעים להתפלגות הלחץ האנסוטרופי המשפיעה על תחבורה אנרגיה קינטית מורכבת יותר - כגון אלה עם מודלים חזקים של לחץ או לחץ ישיר כי יש לחץ אישי ישירות לשרירים.

« אנליפולנס אנליסט מתקדם מודל של גישות

כדי להתגבר על החסרונות של מודלים איזוטרופיים, מגוון של גישות פותח כי במפורש או באופן בלתי משתמעת עבור אפקטים כיוון. שיטות אלה שונות בנאמנות פיזית ועלות חישובית.

מודל מתח ריינולדס (RSM)

ריינולדס מודלs (RSM), הידוע גם כסגרת ההנעה השנייה, לפתור משוואות תחבורה עבור כל רכיב של מתח ריינולדס לחץ עשרות או.זה ישירות ללכוד את האיזוטרופיה של שדה ההפרעה, ומרגיע את ההנחה הבוסנסרק (Gensq) כולל תנאים לייצור, פיזור לחץ, מתאם לחץ, ופיזור טורבמטי ביותר של לחץ הוא לחץ דם מרכזי עבור רכיבי אנרגיה ראשיים (Ric) במיוחד עבור רמות הלחץ הראשוניות של לחץ על ידי טרשת עורקים (RSM-RSM-Ric) הוא בעיקר עבור רכיבי טרשת עורקים (RSM-RSM-RSM-RSM-RSM-RSM-RSM) הוא בעיקר עבור רכיבי טרשת עורקים מתקדמים יותר עבור רכיבי אנרגיה (RSM-RSM-RStracematicric) עבור טרשת עורקים) הוא בעיקר עבור רכיבי אנרגיה (Riclym) עבור טרשת נפוצה יותר עבור טרשת עורקים מתקדמים יותר עבור טרשת נפוצה יותר עבור טרשת נפוצה יותר עבור חומרים מתקדמים יותר עבור טרשת נפוצה יותר עבור טרשת נפוצה יותר עבור טרשת נפוצה יותר עבור טרשת נפוצה יותר עבור מטבוליזם של לחץ, הפרעה (RSM-RSM-RSM-R

אדדי סימבול (Dedy Simulation)

les ישירות פותרים את הדידות הגדולות, המכילות אנרגיה כי הם אנזוטרופיים מטבעם, בעוד מודלים רק את הקשקשים הקטנים יותר, יותר טרופיים באמצעות מודל תת-ממדי (SGS) כי מודל "דידיים" גדול יותר עם זרימת שטח דינמית (Sanoles) תלוי ברזולוציה של קיר-Screconamoled) נמוך יותר, אך ורקורד של קירות-Socicscoreme הוא בהכרח גבוה יותר.

שיטות RANS-LES

שיטות היברידיות שואפות לשלב את היעילות של RANS ליד קירות עם הדיוק של les באזורים נפרדים.הם מתייחסים שכבות גבול המצורפות (שם aisotropy הוא חזק ורזולוציה רשת היא יקרה) עם RANS, ומחליפים לנקודות חיזוי בינוניות באזורים של הפרדה מסיבית או זרימה חופשית של צמחים היברידיים כוללים רק Dtached Eddy Simulation (DES) וגרסאות שלה (DDES, אלה מסתמכים על אורך של מודל היברידית של 2.

סימולציות ישירות (DNS) ו- Spectral Methods

DNS פותר את משוואות Navier-Stokes ללא מודל להפרעות, פתרון כל המאזניים עד אורך Kolmogorov. DNS מספק נתונים מדויקים על זרימת anisotropic והוא תקן הזהב להבנת פיזיקה סוערת.עם זאת, עלות חישובית כמו Returbeives, הגבלת DNS למספרים נמוכים ו-Gemmetries פשוט הוא הכרחי עבור מודלים לתפקוד יעיל יותר, אשר שימשה של קיר סטטית יותר, במיוחד, הוא יעיל יותר, הוא יעיל יותר, הוא יעיל יותר, הוא יעיל יותר, והוא משמש שיטות קירור יעיל יותר, הוא יעיל יותר, והוא משמש שיטות קירור שטח.

שיטות למידה ולמידה של מכונות

בשנים האחרונות ראו עלייה בשימוש בלמידה של מכונות כדי לשפר את הבלבול מודל.גישה אחת היא להגדיל את תחזיות הלחץ של ריינולדס על ידי למידה תיקונים ל anisotropy Tenor מ- DNS או נתונים ניסיוניים.רשתות נילי או רשתות עצביות בסיס יכול למפות פרמטרים זרימה לכדי לכידת מלאה של עשרות או, על ידי עקפת השערת Bousinesq.

אתגרים מרכזיים ב- Anisotropic Turbulence Modeling

למרות התקדמות, כמה מכשולים מעכבים את אימוץ נרחב של טכניקות מודלים אנזוטרופיים:

  • (FLT:0) עלויות חישוביות: FLT:1 RSM דורש פתרון שבע משוואות נוספות (שישה מדגיש בתוספת ניכוי), זיכרון גדל וזמן CPU. les ו- DNS הם אפילו יקר יותר, במיוחד עבור זרמים תעשייתיים בעלי ערך גבוה.
  • (FLT:0) בעיות זהירות: 1FLT:1 כל דגמי RANS ו- LES דורשים סגרים לתנאים בלתי סגורים (למשל, לחץ, קצב הניתוק, SGS מדגיש לעתים קרובות ⁇ אלה עבור משטרי זרימה ספציפיים ועשוי להיכשל עבור זרימה עם אפקטים חזקים ללא תשלום, סיבוב, או ריפוי.
  • (FLT:0) נוקשות ויציבות: משוואות RSM יכול להיות נוקשה יותר מאשר מודלים של eddy-viscosity, המוביל לקשיים בהתכנסות. משוואות התחבורה של ריינולדס הם נטייה ערכים שליליים של איגן (הפרת יעילות) אם לא מטופלים בזהירות.
  • (FLT:0Grid resolution and Near-קיר טיפול:ראה LT:1 ; Capturing anisotropy ליד קירות דורש רשתות בסדר. in les, הרשת חייבת לפתור את המבנים anisotropic (\((i + / sim 1\) Wall Modeling מקטין את העלות אך מציג שגיאות אנטרופיות משלה, כפי שמודלים בדרך כלל לא מדויקים של הפרדה לא יהיו מדויקים מתחת לקיר).
  • (FLT:0) שילובים רב-ממדיים:FreaLT:1 בשיטות היברידיות, הממשק בין אזורי RANS ו- LES יכול ליצור תנודות מעוררות או אי התאמה ברמות הסוערות הפתורות.

התייחסות לאתגרים אלה דורשת המשך פיתוח של שיטות מספריות, סגירות פיזיות טובות יותר, וניצול של חומרה חישובית מתפתחת.

יישום Anisotropic Turbulence Modeling

מודלים אנזוטרופיים Accurate הוא קריטי עבור מגוון רחב של הנדסה יישומים מדעיים. להלן הם תחומים מרכזיים שבו תופעות לוואי כיוון בולט במיוחד.

אווירודינמיקה של רכב ואוויר

באירודינמיקה חיצונית, מודלים אנטרופיים לשפר תחזיות של גרר, מעלית והפרדה. עבור מטוסים, זרימה מעל כנפיים, פתיחת, משטחים שליטה כרוך שכבות גבול, הפרדה מושרה הלם, ותעוררות - כולם מאוד אנזוטרופיים. RSM ושיטות היברידיות משמשים כדי לחזות את תחילת הכניעה, אשר מושפעת על ידי הפצה טרופית של מתח מופרד סביב השכבה המדויקת של הגוף.

Fluid Dynamics

שכבת הגבול האטמוספרית (ABL) היא תמיד אנזוטרופית ליד פני השטח בשל כישוף וstratification.מודלים של אנסוטרופיים זעזועים מועסקים עבור יישומי אנרגיית רוח (מודלים של וויקה מאחורי טורבינות), פיזור מזוהה בקניונים עירוניים, וחיזוי מזג האוויר.לדוגמה, התפשטות של contaminant מערימה רגישה מאוד למזג אווירי תיבות של צינורות אוויריים פשוטים של תואמים יותר מאשר ספקטרום של שכבות טמפרטורה יציבה יותר.

bioרפואי

זרימת הדם בעורקים ורידים היא אנזוטרופיה חזקה בשל כלי שיט מרפא, דופורציות, ואת הטבע האימפולסיבי של זרימה מונחה לב.הרינולדס לתרום להפעלת צלחת ו היווצרות thrombus, והחיזוי המדויק שלהם חשוב לתכנון מכשיר רפואי (עקביות, שסתום לב) באופן דומה, זרימת אוויר באנושיות כוללת גאולוגיה מורכבת ממטרים ממטרה לזרימת הרחם, אשר שימשה של דלקת ריאות רלוונטית.

סוללות תעשייתיות וטורומנטריות

בטורבינות גז ומדחסחסנים, הזרם דרך מעברי להב, סלק טיפ, ודיפרפים הוא תלת-ממדי ו anisotropic חזק בשל כוחות צנטריפוגה קוריוליס.דאדי-viscosity מודלים ביצועים גרועים לחיזוי העברת חום וזרימות משניות במערכות אלה.RSM הוא לעתים קרובות הבחירה הסטנדרטית עבור turbo-maery, שכן זה מלכודת מתקדמת (הת) השפעה תאית (מזיקתית).

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

החיפוש אחר מודלים מדויקים ויעילים יותר של זעזועים אנתרוטרופיים מונע על ידי הבנה פיזית והתקדמות חישובית.

  • (FLT:0)Exascale Computing: 1FLT:1 הגעת מחשבי העל exascale יהפכו את ה- DNS ואת ה- esible במספרים גבוהים יותר של ריינולדס עבור גיאוגרפיות מורכבות.
  • (FLT:0) Machine Learning האצה: FLT:1 מודלים מונעים נתונים להחליף סגרים RSM יקרים או לשפר את דגמי SGS הם מזינוק. שיטות אלה יכולים ללמוד מערכות יחסים אנזוטרופיות ישירות מהנתונים, פוטנציאל להפחית את ההסתמכות על קבועים אמפיריים.
  • (FLT:0) Physics-consated AI:03FLT:1) שילוב רשתות עצביות עם מגבלות פיזיות (למשל, ריאליזם, סימטריה, חוקי שימור) הוא דרך מבטיחה מודלים חזקים אשר מאמתים מעבר לאימון נתונים.
  • (FLT:0) חידוש הדוגמנות: FIRLT:1) עבור חיזוי בזמן אמת (למשל, שליטה זרימה, תאומים דיגיטליים), טיהור אורטוקונים תקין (POD) וטכניקות אחרות מופחתות יכולות לדחוס שדות זרימה אנזוטרופיים ולפתח אותם ביעילות.
  • מודלים חד-משמעיים עבור רב-פיזיקה: קונסטנטין 1 (Anisotropic turbulence Modeling) הורחב כדי לכלול העברת חום, תגובות כימיות, ואפקטים רב-phase. האינטראקציה בין אנזוטרופיה ו-Cropar תחבורה היא אזור מרכזי למחקר עתידי.
  • (FLT:0) אימות עולם אמיתי: FLT:1 כפי שמודלים חישוביים הופכים מורכבים יותר, הצורך בניסויים ברזולוציה גבוהה (למשל, velocimetry של תמונת חלקיקים בזרימות בקנה מידה תעשייתי) גדל שיתוף פעולה מוגבר בין מודלים וניסויים הוא חיוני.

המאמצים לחדד מודל של זעזועים אנזוטרופיים אינם רק אקדמיים; הם יובילו למטוסים בטוחים יותר, מנועים יעילים יותר, תחזיות סביבתיות טובות יותר, ושיפור מכשירים רפואיים.המסע מרגיעה איזוטרופית לריאליזם אנזוטרופי הוא אחד הסיפורים החשובים ביותר בדינמיקה של נוזל חישובי.

מסקנה

זעזוע אניסטומטי הוא תכונה פנימית של רוב הזרמים נתקלו בהנדסה ובעולם הטבעי.בעוד מודל aisotropy מוסיף מורכבות ניכרת - באמצעות RSM, les, או שיטות היברידיות - המשכורות דיוק החיזוי הוא משמעותי.מודלים מסורתיים של מודלים אטמיים, למרות שמודלים חישוביים זולים, לא יכולים לחזות הפרדה, משניים, ומערבבים בתצורה ריאליסטית של מודלים של גישה למידה סטנדרטית, תלוית, כמו גם בתכונות חישוביות יותר, כלומר, כלומר, כלומר, שיטות חישוביות, תלויות יותר, שיטות חישוביות, שיטות חישוביות, תלויות יותר, שיטות חישוביות, שיטות חישוביות, תלויות יותר, כמו גם שיטות חישוביות, שיטות חישוביות, תלויות יותר, שיטות חישוביות, תלויות יותר, שיטות חישוביות, שיטות חישוביות, תלויות יותר, כמו גם שיטות חישוביות, שיטות חישוביות, שיטות חישוביות, שיטות חישוביות, שיטות חישוביות, שיטות חישוביות, תלויות יותר, שיטות חישוביות, תלויות יותר, שיטות חישוביות, יעיל יותר, שיטות חישוביות, כמו גם שיטות חישוביות, שיטות חישוביות, כלומר, יעיל יותר, שיטות חישוביות, תלויות יותר, שיטות חישוביות, תלויות יותר, כמו גם שיטות חישוב

(ב) לקריאה נוספת על יסודות של זעזועים אנטרופיים וטכניקות דוגמנות, ההרצאות (FLT:0) ,IARE מציין על ה-CDCDigtureFLT:1) מספקים סקירה מוצקה.TheFLT:2NASA Langley Turbulence Modeling ResourceFLT 3: 3 מציע מקרים אימות ונוסחאות מודל.