مدل‌سازي عددي جريان‌هاي لايه‌بندي شده‌ي غير‌همسان با استفاده از مدل آشفتگي صريح جبري تنش رينولدز

Numerical Modelling of Non-isotropic Stratified Flows Using an Explicit Algebraic Reynolds Stress Turbulence Model (EARSM)

تقريباً تمامي جريان‌هاي محيط زيستي مانند جريان هايي كه در درياچه‌ها، مخازن، مصب رودها و اتمسفر رخ مي‌دهند آشفته و در اغلب موارد لايه‌بندي شده هستند. در جريان‌هاي لايه‌بندي شده به دليل حضور نيروهاي شناوري، تنش‌هاي ناشي از آشفتگي ناهمسان مي‌باشند. دقت شبيه‌سازي عددي اين گونه جريان‌ها به نحوه ي اعمال ناهمساني تنش‌ها در مدل آشفتگي به كار گرفته شده بستگي دارد. مدل هيدروديناميك مورد استفاده براي حل معادلات ناوير- استوكس، مدل دو بعدي قايم WISE مي‌باشد. در اين مقاله براي مدل‌سازي آشفتگي از يك مدل صريح جبري تنش رينولدز به همراه يك مدل صريح جبري شار اسكالر استفاده شده است. به منظور صحت سنجي مدل جبري تنش رينولدز آزمايش‌هاي انسداد- تبادل در جريان‌هاي لايه‌بندي شده‌ي آب شور و چگال شبيه‌سازي شده و نتايج مربوط به گسترش، موقعيت پيشاني و سرعت جريان حاصل از مدل آشفتگي جبري تنش رينولدز با نتايج اندازه‌گيري‌هاي آزمايشگاهي و نتايج مدل آشفتگي k-? با جملات شناوري مورد مقايسه و تجزيه و تحليل قرار گرفته است. بررسي‌هاي انجام گرفته در حالت كلي نشان‌دهنده‌ي عملكرد مناسب مدل جبري تنش رينولدز و برتري نسبي آن در مقايسه با مدل آشفتگي k-? مي‌باشد.

Flows of natural hydro-environments are usually turbulent and mostly stratified, like the flows in lakes, reservoirs, estuaries and atmosphere to name a few. In stratified flows due to the buoyancy forces, the turbulent stresses are usually non-isotropic. Therefore the accuracy of the numerical simulations for such flows is highly dependent on the turbulence model and the implementation of non-isotropic stresses. The hydrodynamic model deployed herein is the 2DV WISE (Width Integrated Stratified Environments) numerical model. In this paper an explicit algebraic Reynolds stress model together with an explicit algebraic scalar flux model have been developed and implemented in the original hydrodynamic model. To validate the EARSM turbulence model, lock release tests have been simulated for saline and dense stratified flows. The predicted values of the evolution and the front head position of the stratified flow, and the velocity profiles simulated by EARSM model have been compared against the measured values reported in the literature and the predicted results of the buoyant k-? model originally included in the hydrodynamic model. The comparisons indicated good performance of the EARSM turbulence model and showed its superiority compared to the k-? turbulence model in these regions.