Selección de Modelos de Turbulencia en OpenFOAM: Guía de Decisión

La elección del modelo de turbulencia es una de las decisiones más críticas en una simulación CFD. No existe un modelo universal que sea óptimo para todos los casos: cada formulación representa un compromiso entre fidelidad física y coste computacional.

Comparativa Rápida de Modelos RANS y LES

Modelo	Ecuaciones	Requisito $y^+$	Casos de uso ideales	Puntos débiles
Spalart-Allmaras	1	$y^+ \approx 1$ o $y^+ > 30$	Aerodinámica externa de perfiles y alas limpias	Flujos con recirculación tridimensional compleja
$k$-$\varepsilon$ Estándar / Realizable	2	$y^+ > 30$	Jets libres, mezcla, túneles a gran escala	Sobrepredice energía cinética en puntos de estancamiento
$k$-$\omega$ SST (Menter)	2	$y^+ \approx 1$ (óptimo)	Capas límite con gradientes adversos, separación y bombas	Sensible a la intensidad turbulenta de entrada libre
LES (Smagorinsky / WALE)	0 a 1	$y^+ < 1$ en pared	Aeroacústica, desprendimiento de vórtices, combustión	Coste computacional $100\times$ superior a RANS

1. El estándar de la industria: $k$-$\omega$ SST

El modelo de Menter combina lo mejor de dos mundos:

Cerca de paredes sólidas activa la formulación $k$-$\omega$, capaz de resolver la subcapa viscosa lineal sin amortiguaciones artificiales.
En el flujo libre transiciona suavemente a la formulación $k$-$\varepsilon$, eliminando la sensibilidad patológica del $k$-$\omega$ clásico frente a las condiciones del flujo exterior.

Configuración en OpenFOAM:

En constant/turbulenceProperties:

text

1
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simulationType  RAS;

RAS
{
    RASModel        kOmegaSST;
    turbulence      on;
    printCoeffs     on;
}

2. Tratamiento de Capa Límite y Funciones de Pared

OpenFOAM incluye funciones de pared de paso continuo (continuous wall functions) que detectan automáticamente el $y^+$ local de la celda y aplican la ecuación correspondiente:

Para $k$: type kqRWallFunction;
Para $\omega$: type omegaWallFunction;
Para $\varepsilon$: type epsilonWallFunction;
Para $\nu_t$: type nutkWallFunction; (o nutLowReWallFunction; para mallas finas $y^+ < 1$).

3. ¿Cuándo justificar el uso de LES?

El uso de Large Eddy Simulation está justificado únicamente cuando:

Las estructuras turbulentas de gran escala son inherentemente transitorias y anisotrópicas (por ejemplo, interacción estela-rotor en turbinas eólicas).
Se busca predecir el espectro acústico en frecuencias audibles.
Dispones de capacidad de cálculo en paralelo (mallas de $> 10^7$ celdas) y un paso de tiempo con $Co < 1$ en todo el dominio.