cómo determinar si un vórtice es laminar o turbulento

En una cámara cilíndrica con una alta relación diámetro-altura; se inyecta tangencialmente un fluido. hay una salida axial al cilindro.

¿Cómo puedo determinar si el vórtice así formado es laminar o turbulento? ¿Qué parámetro indicará esto?

(esto es una simulación, por lo que puedo medir cualquier velocidad/EC turbulento que sea necesario).

Si es una simulación, ¿cómo modelas la turbulencia? ¿O es DNS?
por RANS RNG k-épsilon.
Lo más fácil sería comprobar el valor de la viscosidad turbulenta en comparación con la viscosidad laminar.
si, hice eso la viscosidad de remolino es mucho más alta que la molecular. Incluso verifiqué el TKE, también tiene un valor significativo. Pero pensé, ¿Es posible? Que el flujo sea en realidad laminar; pero muestra todos estos valores solo porque estoy usando un cierre de turbulencia? ¿Hay alguna forma de juzgar si el vórtice es laminar/turbulento solo por las velocidades? Como el Re por ejemplo. pero no sé qué usar como la longitud característica en mi caso. muchas gracias por sus respuestas inmediatas!
Podría calcular el número de Reynolds para el punto de inyección. Además, se dio cuenta de que k − ε no funciona tan bien para flujos rotacionales.
mi entrada es un tubo, tangencial al cilindro. el Re es 40k allí. En realidad es un "acelerador de vórtice". Sospecho una relaminarización en la región de vórtice libre en el cilindro, mucho después de la inyección. por eso quisiera saber como comprobar si un vórtice es laminar. ¿Cómo verifico si esto está sucediendo? sí, k-eps no funciona tan bien, así que estoy usando RNG k-eps.
Para futuras referencias, tenga en cuenta que aquí no hacemos preguntas de cálculo; use el sitio beta de Scientific Computation para eso. Dicho esto, creo que esta pregunta es principalmente sobre física (es decir, qué propiedades se pueden usar para distinguir los dos estados, sin hacer referencia a la naturaleza computacional del sistema) y no propongo cerrarla.
Estoy de acuerdo. esta pregunta es más sobre el aspecto físico del flujo. Solo estoy usando CFD para analizarlo más a fondo.

Respuestas (1)

En primer lugar, definamos qué se entiende por turbulento y laminar en un caso como el que describe ...

El número de Reynolds de un flujo da una medida de la importancia relativa de las fuerzas de inercia (asociadas con el flujo convectivo) y las fuerzas viscosas. A partir de observaciones experimentales se ve que para valores de Re por debajo del llamado número crítico de Reynolds, el flujo es suave y las capas adyacentes de fluido se deslizan entre sí de manera normal. Si las condiciones de contorno (BC) aplicadas no cambian con el tiempo, el flujo es estable y se trata de flujo laminar .

A valores de Re por encima del número crítico de Reynolds, tiene lugar una complicada serie de eventos que conducen a un cambio radical en el carácter del flujo. En el estado final, el comportamiento de los flujos es aleatorio y caótico. El movimiento en este caso es un evento intrínsecamente inestable con BC constantes: todas las características del flujo varían de manera aleatoria y este es un flujo turbulento .

Bien, ahora para abordar su problema directamente. Por lo que ha preguntado (creo que ha preguntado esto en el lugar correcto) y por leer los comentarios, creo que no ha entendido lo que realmente logran los modelos Reynolds Average Navier-Stokes (RANS). Tomando primero el estándar k − ϵ modelo RANS; este modelo (y todos los demás modelos RANS basados ​​en la descomposición de Reynolds) proporciona un modelo para todas las escalas de longitud turbulenta, incluso la escala de Komglarov (remolinos grandes que caen en cascada hacia remolinos cada vez más pequeños hasta que se alcanza la escala de longitud de disipación). Esto es lo mismo para el RNG k − ϵ modelo RANS.

Aparte: el Grupo de Renormalización [ k − ϵ ] (RNG) utiliza mecánica estadística y un número limitado de suposiciones con respecto a la estadística de turbulencia a pequeña escala, para proporcionar una base rigurosa para la extensión de los modelos de viscosidad de remolinos.

El flujo que describe es un flujo giratorio con una capa límite curva (BL). Ahora:

  1. El k − ϵ El modelo RANS es muy pobre para resolver la turbulencia generada en tales flujos, donde el BL curvo y el flujo en remolino inducen grandes tensiones adicionales (yo usaría un k − ω -tipo modelo RANS).

  2. En segundo lugar, en el flujo que usted describe, el flujo rotacional a gran escala (flujo de vórtice) podría resolverse felizmente utilizando un modelo puramente convectivo (ecuación de advección sola) y la dinámica del flujo estará dominada por la advección, no por la turbulencia (escala relativamente pequeña). .

Entonces, para responder a tu pregunta:

How do I determine if the vortex so formed is laminar or turbulent?

El flujo en su caso tendrá algunas características de 'lámina' y será completamente turbulento. Establecer el factor dominante en este caso debería ser obvio. Es el movimiento masivo del flujo lo que impulsa el tipo de vórtice que describe, no la turbulencia.

What paremeter will indiacate this?

Para un caso en el que desea establecer la escala de longitud de remolinos turbulentos (flujo de escala relativamente pequeña (posiblemente nivel de subcuadrícula)), entonces con k − ϵ -modelos de tipo podemos definir la escala de velocidad ( ϑ ) y escala de longitud ( yo ) de los remolinos turbulentos más grandes a través de:

ϑ = k 1 / 2 , yo = k 3 / 2 ϵ
.

Podría cuestionar la validez de usar la variable 'pequeño remolino' ϵ para definir la escala de 'remolino grande' yo . Esto es razonable porque para Re grandes, la velocidad a la que los grandes remolinos extraen energía del flujo medio se corresponde aproximadamente con la velocidad de transferencia de energía a través del espectro de energía hacia los pequeños remolinos que se disipan si el flujo no cambia rápidamente (suponiendo que lo está haciendo simulaciones de estado estacionario). si este no es el caso, entonces la energía en alguna escala turbulenta podría crecer o disminuir sin límite.

Finalmente, sería cuidadoso en su selección del modelo de RAN. Las ventajas y desventajas de cada uno están bien documentadas y deben abordarse antes de la selección. Para su flujo, sugeriría el Menter SST k − ω modelo, que utiliza k − ω cerca de la pared y k − ϵ en la transmisión libre (con el tratamiento adecuado de la función de pared según su código).

Espero que esto ayude.

El término "escala de subcuadrícula" generalmente no se usa para modelos de tipo RANS. Esto es LES, donde está filtrando especialmente, normalmente en función de la cuadrícula. En RANS, es un promedio de conjunto, y usted modela el tensor de estrés de Reynolds, que también incluye escalas más grandes que las de cuadrícula
Aunque tiene razón en lo que dice sobre LES, es incorrecto decir que las RAN no son un modelo a escala de subred. Por supuesto, estos modelos se centran en el flujo medio y los efectos de la turbulencia en ese flujo medio, pero la escala de longitud de mezcla para muchas simulaciones de flujo es menor que la resolución de la cuadrícula. Esto no significa que la KE turbulenta y la disipación viciosa no estén bien representadas por el modelo RAN a estas escalas. Mi punto principal en lo anterior es que él está viendo un flujo de vórtice masivo, y esto tendrá poco que ver con el modelo de turbulencia empleado...
Sin embargo, editaré la respuesta para tener en cuenta que las RAN no solo modelan la turbulencia a escala de subred. Para ver que las RAN pueden modelar y modelan la turbulencia a escala de subred, solo tiene que observar las escalas de longitud de turbulencia involucradas en el flujo de tubería típico.
LES: Solo se resuelven las escalas turbulentas “Grandes”. Se modelan las escalas “más pequeñas”. RANS: Se modelan todas las escalas turbulentas. En LES, resuelve una versión filtrada de las ecuaciones de Navier-Stokes junto con otra ecuación para representar las escalas pequeñas turbulentas. En RANS, resuelve la versión promediada de la ecuación de Navier-Stokes junto con otra ecuación para representar todas las escalas turbulentas.
¡Gracias por tus respuestas! @Killercam, no entendí lo que quiere decir con "Establecer el factor dominante en este caso debería ser obvio". Sé que es el flujo a granel lo que impulsa el vórtice; Deseo encontrar si alguna región en particular en este vórtice es laminar. Incluso si tengo los valores de las escalas de velocidad y longitud; ¿Cómo sé si el flujo es turbulento allí? ¿Hay un valor umbral? en caso afirmativo, ¿cómo lo determino? Además, he visto muchas validaciones para flujos de vórtice confinados con modelos RNG-K-eps. Dejando a un lado el modelo de turbulencia, deseo entender esto físicamente.
Es probable que el flujo en el caso que describa sea turbulento o transitorio (turbulento con regiones de flujo laminar). Para determinar las regiones del flujo que son más turbulentas que otras (ya que todas las regiones tendrán alguna escala de cascadas turbulentas), puede trazar el valor de la energía cinética turbulenta k. La ecuación k gobierna la conversión de la energía cinética media en energía cinética turbulenta, por lo que este es un buen punto de partida. También puede trazar la intensidad de la turbulencia I = tu ′ / tu , dónde tu ′ es la raíz cuadrada media de la velocidad turbulenta y tu es la velocidad media...
Puedes establecer tu ′ de tu ′ = 2 / 3 k dónde k es la energía cinética turbulenta de su ecuación k. Entonces, desde tu campo de flujo tienes k por eso tu ′ y tienes $U = \sqrt{U_{x}^{2} + U_{y}^{2} + U_{z}^{2} s o norte o w y o tu C a norte pag yo o t I$ y esto le indicará las regiones de alta turbulencia. Tenga en cuenta que cité la escala de longitud de la turbulencia, ya que se puede usar para dar la escala de longitud de los remolinos más grandes en su flujo. Si los remolinos más grandes en el flujo son más pequeños que las características del flujo sobre las que está preguntando, entonces puede decir que estas secciones del flujo son (más o menos) 'laminares'.
La escala de longitud turbulenta se usa a menudo para estimar las propiedades turbulentas en las entradas de una simulación CFD. Dado que la escala de longitud turbulenta es una cantidad intuitivamente fácil de relacionar con el tamaño físico del problema, es fácil adivinar un valor razonable de la escala de longitud turbulenta. La escala de longitud turbulenta normalmente no debería ser mayor que la dimensión del problema, ya que eso significaría que los remolinos turbulentos son más grandes que el tamaño del problema.
¡Gracias @Killercam! Intentaré verificar la escala de longitud y mantener este hilo actualizado. Deseo informar que ya verifiqué la intensidad y, por lo tanto, los valores de k. son bastante grandes en todo el dominio; ¡así que supongo que es seguro concluir de esto! Gracias de nuevo a todos, por su ayuda!
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