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Ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds (RANS)

1895
  • Osborne Reynolds
19th-century laboratory with Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations for fluid mechanics analysis.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas de Reynolds (RANS) son ecuaciones de movimiento promediadas en el tiempo para el flujo de fluidos turbulentos. Este enfoque, llamado Reynolds La descomposición separa las variables de flujo en un componente medio y un componente fluctuante. El proceso de promediado introduce un término adicional, el de Reynolds. estrés tensor, que representa el efecto de la turbulencia y debe modelarse para lograr el cierre, lo que hace que las simulaciones sean computacionalmente viables.

The core idea behind RANS is Reynolds decomposition, where an instantaneous quantity is split into its time-averaged and fluctuating parts. For velocity, this is [latex]u_i(x,t) = \bar{u}_i(x) + u’_i(x,t)[/latex]. When this is substituted into the Navier-Stokes equations and the equations are time-averaged, the non-linear convective term generates a new term, [latex] -\rho \overline{u’_i u’_j} [/latex], known as the Reynolds stress tensor. This tensor represents the net transfer of momentum due to turbulent fluctuations.

La aparición de este tensor desconocido conduce al "problema de cierre" de la turbulencia: hay más incógnitas que ecuaciones. Para resolver el sistema, las tensiones de Reynolds deben relacionarse con las cantidades medias del flujo mediante un modelo de turbulencia. El enfoque más común es la hipótesis de Boussinesq, que supone que las tensiones de Reynolds son proporcionales a la tasa de deformación media, introduciendo una "viscosidad de remolino" o "viscosidad turbulenta". Esto es análogo a cómo se comporta la turbulencia molecular. viscosidad Relaciona la tensión con la tasa de deformación en flujo laminar. Los modelos de turbulencia, como los populares modelos k-ε (k-epsilon) y k-ω (k-omega), son conjuntos de ecuaciones de transporte adicionales que se utilizan para calcular esta viscosidad turbulenta en todo el campo de flujo. Por ejemplo, el modelo k-ε resuelve la energía cinética turbulenta (k) y su tasa de disipación (ε). RANS proporciona un buen equilibrio entre precisión y coste computacional para muchas aplicaciones de ingeniería, ya que evita el coste prohibitivo de resolver directamente todos los vórtices turbulentos.

UNESCO Nomenclature: 2205
– Fluid Mechanics

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Foundational

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Ecuaciones de Navier-Stokes
  • Los experimentos de Osborne Reynolds sobre la transición del flujo de laminar a turbulento
  • Conceptos de mecánica estadística y promediación temporal
  • La hipótesis de viscosidad turbulenta de Joseph Boussinesq

Aplicaciones

  • Diseño de alas y fuselajes de aviones comerciales
  • Análisis de turbomáquinas como reactores y turbinas
  • diseño hidrodinámico de cascos de barcos
  • Modelado de flujo en motores de combustión interna
  • Aplicaciones de ingeniería civil como la carga de viento en edificios.
  • Ciencia del deporte para analizar la aerodinámica de los atletas y el equipo.

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • Modelos rans mejorados con aprendizaje automático que aprenden de datos DNS de alta fidelidad
  • Optimización basada en rans para la reducción del ruido del tren de aterrizaje de aeronaves
  • real-time rans simulations for controlling wind farm turbine yaw angles
  • Modelado de la coagulación sanguínea y la trombosis con predictores de turbulencia basados ​​en rans
  • simulating atmospheric boundary layer interactions with urban heat islands
  • Optimización de los procesos de mezcla química en reactores industriales
  • Predicción del transporte de sedimentos en sistemas fluviales durante inundaciones
  • Desarrollo de sistemas de ventilación personalizados para espacios de oficina
Relacionado con: rans, modelado de turbulencia, tensión de Reynolds, problema de cierre, k-epsilon, k-omega, cfd, viscosidad turbulenta.

Contexto histórico

Ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds (RANS)

1889
1890
1890
1895
1895
1896
1900
1888
1889
1890
1890
1895
1895
1899
1900

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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