ANSYS CFX bietet eine Reihe von Turbulenzmodellen, unter anderem das bekannte k-ε Modell, verschiedene Reynoldspannungsmodelle sowie Modelle für die Large Eddy (LES) und Detached Eddy Simulation (DES).

Im Bereich der in der Praxis am häufigsten eingesetzten Zweigleichungsmodelle hat sich jedoch das SST-Turbulenzmodell als überlegen erwiesen. Das SST-Modell ist ebenso effizient wie das k-ε Modell, liefert aber deutlich bessere Ergebnisse bei Phänomenen wie druckinduzierter Ablösung oder Wärmeübergang, die bei sehr vielen industriellen Fragestellungen eine wesentliche Rolle spielen.

Ein besonderes Highlight ist das einzigartige γ-θ Transitionsmodell. Damit ist ANSYS CFX als erste kommerzielle Software in der Lage, den laminar-turbulenten Umschlag der Grenzschicht in beliebig komplexen Geometrien vorherzusagen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die korrekte Berechnung des Wärmeübergangs.

Im industriellen Umfeld wird häufig das Standard-k-ε Modell verwendet, da es stabil ist und nur wenig zusätzlichen Rechenaufwand benötigt.

Allerdings hat das k-ε Modell einige Schwächen, z.B. bei der Vorhersage von Strömungsablösung aufgrund von Druckgradienten. Die Ablösung wird zu spät und die Größe der Ablösezone deutlich zu gering berechnet. Dies verfälscht wichtige Kennzahlen zur strömungstechnischen Beurteilung des Bauteils, z.B. Wirkungsgrad oder Wärmeübergangskoeffizient.

Das SST-Modell kombiniert die besten Eigenschaften des k-ε und k-ω Modells und bietet eine deutlich höhere Zuverlässigkeit und Genauigkeit bei gleichbleibender Stabilität und Rechenzeit. Das SST-Modell wurde umfangreich validiert und wird von der NASA als das beste Turbulenzmodell seiner Klasse eingestuft.

Die Turbulenzmodelle lassen sich in ANSYS CFX mit neuartigen, bei CFX entwickelten Wandfunktionen kombinieren:

• die skalierbare Wandfunktion kann mit allen High-Re Modellen eingesetzt werden,
• die automatische Wandfunktion steht für alle Low-Re Modelle zur Verfügung.

In beiden Fällen kann das Rechengitter konsistent verfeinert werden, ohne dass der wandnächste Rechenpunkt aus dem Gültigkeitsbereich des Turbulenzmodells wandert. Damit ist ein wesentlicher Schritt in Richtung Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Berechnungen in industriellen Anwendungen gemacht worden.

Für die Fälle, bei denen die Turbulenzstruktur für die Lösung eines Problems bedeutsam ist, stand bisher nur die Large Eddy Simulation (LES) zur Verfügung. Obwohl seit vielen Jahren verfügbar, hat sich LES in der Praxis nicht durchgesetzt, da zum einen die Rechenzeiten immer noch extrem lang sind und zum anderen an den Eintrittsrändern alle turbulenten Schwankungsgrößen vorgegeben werden müssen. Dies ist in den meisten Fällen völlig unpraktikabel.

ANSYS CFX bietet deshalb als zusätzliche Option das sogenannte Detached Eddy Turbulenzmodell an. Grundidee von DES ist, die LES-Methode nur in den Gebieten einzusetzen, in denen das turbulente Längenmaß größer als die Gitterweite ist. In allen anderen Gebieten wird automatisch auf das SST-Modell umgeschaltet.

Im Vergleich zur klassischen LES-Methode hat DES bei Strömungen mit hohen Reynoldszahlen um Größenordnungen kürzere Rechenzeiten und bietet trotzdem die Vorteile von LES bei der Vorhersage der Turbulenzstruktur in Ablösegebieten.

Ein weitere großer Vorteil in der Praxis ist, dass an den Rändern des Berechnungsgebiets die bekannten stationären Randbedingungen für das SST-Modell verwendet werden können.