Numerical calculation of fully developed turbulent flow in curved channels: An extended algebraic Reynolds-stress model

Abstract

The primary objective of the paper is to extend an algebraic Reynolds-stress model including a new expression for the turbulent shear stress, in order to describe the negative production of turbulent kinetic energy appearing in curved channel flows in a region between the points of maximum velocity and vanishing shear stress. This so-called energy reversal cannot be captured by the majority of turbulence models with conventional eddy-viscosity formulation. Computations are made for fully developed flows in channels of rectangular cross section and large aspect ratio with mild and strong curvature. The results are compared with different model predictions and experimental data reported in the literature. In the cases considered, the accuracy of present model predictions is comparable to that of a Reynolds-stress model. The latter, however, requires much more computing time and is thus more costly than the model here proposed.

Zusammenfassung

Die Erweiterung eines algebraischen Spannungsmodells mit Hilfe einer neuen Beziehung fürdie turbulente Schubspannung zur Erfassung negativer Produktion kinetischer Turbulenzenergie, die in Strömungen durch gekrümmte Kanäle im Bereich zwischen Geschwindigkeitsmaximum und verschwindender Schubspannung auftritt, ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Die sogenannte Energieumkehr kann von vielen Turbulenzmodellen, welche sich auf den Wirbelviskositätsansatz gründen, nicht erfaßt werden. Die Berechnungen werden für die vollentwickelte Strömung in Kanälen mit rechteckigem Querschnitt von großem Seitenverhältnis bei schwacher und starker Krümmung ausgeführt. Die Ergebnisse werden sowohl mit verschiedenen Modellrechnungen als auch mit Meßergebnissen verglichen. Die Genauigkeit der mit dem vorliegenden Modell erhaltenen Ergebnisse ist mit der eines Reynoldsschen Spannungsmodells vergleichbar. Letzteres beansprucht aber eine ungleich größere Rechenzeit und ist somit weitaus kostspieliger.