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Modelos de Turbulencia

El estado de turbulencia consta de fluctuaciones en el campo del flujo en el tiempo y espacio. Es un proceso complejo, principalmente debido a que es tridimensional, inestable y se compone de muchas escalas. Puede tener un efecto significativo en las características del flujo. La turbulencia se produce cuando las fuerzas inerciales en el líquido son mucho mayores a las fuerzas viscosas y se caracteriza por un alto número de Reynolds. Para representar los efectos de la turbulencia a predecir, CFD se ha centrado en métodos que hacen uso de modelos de turbulencia. Modelos que han sido específicamente desarrollados para dar cuenta de los efectos de la turbulencia sin necesidad de recurrir a una malla excesivamente fina y una simulación numérica directa. La mayoría de los modelos de turbulencia son modelos estadísticos.

Existen diferentes tipos de modelos de turbulencia, cada uno con sus propias características y aplicaciones. Algunos de los modelos más comunes son los siguientes:

  • Modelo de turbulencia de longitud de mezcla: Este modelo asume que la turbulencia es homogénea en la dirección del flujo y utiliza una longitud de mezcla para representar la interacción entre la turbulencia y el flujo medio.
  • Modelo k-epsilon: Este es uno de los modelos más utilizados y se basa en el concepto de energía cinética y disipación de energía para describir la turbulencia. El modelo calcula la tasa de producción de energía cinética y su disipación, y utiliza estas variables para calcular el flujo de energía turbulenta.
  • Modelo k-omega: Este modelo utiliza la energía cinética y la tasa de cambio de la frecuencia de rotación para describir la turbulencia. Se utiliza en flujos de alta velocidad y en la capa límite turbulenta.
  • Modelo Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS): Este modelo utiliza la teoría de Reynolds para descomponer el flujo en una componente media y una componente fluctuante. Es uno de los modelos más utilizados en la simulación de flujos.
  • Modelo de simulación de grandes escalas (LES): Este modelo resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes para las escalas de longitud mayores y modela las escalas más pequeñas. Se utiliza para simular flujos de alta resolución y puede capturar detalles más finos de la turbulencia.
  • Modelo de dinámica de partículas (PDM): Este modelo simula la dinámica de un gran número de partículas para describir la turbulencia. Es útil para flujos de partículas o flujos en los que las partículas interactúan significativamente con el flujo.

Cada modelo tiene sus ventajas y desventajas, y la elección del modelo depende de la aplicación y de las necesidades del usuario.