湍流流动的近壁处理详解
近壁面流体流动的行为与特性分析
近壁面流体流动的行为与特性分析引言近壁面流体流动是流体力学中的一个重要研究方向，涉及到许多实际工程和科学问题，如涡流控制、热传递、空气动力学等。
近壁面流体流动的行为和特性分析对于提高工程设计的效率和性能具有重要意义。
本文将就近壁面流体流动的行为和特性进行深入探讨，并分析其在实际工程中的应用。
1. 近壁面流体流动的基本概念近壁面流体流动是指在壁面附近发生的流体运动现象。
在近壁面区域，流体速度和温度的分布与远离壁面的区域存在明显差异，同时壁面对于流体流动产生了显著影响。
近壁面流动的特点包括边界层发展、壁面摩擦、流动分离等。
2. 近壁面流动的数学模型近壁面流动可以通过流体力学的数学模型进行描述。
最常用的数学模型是雷诺平均Navier-Stokes方程组，该方程组基于连续性方程、动量方程和能量方程，可以描述流体在不同区域的运动和变化。
除了雷诺平均Navier-Stokes方程组，还有一些更精确的数学模型，如雷诺应力传输方程、层流方程等，用于描述不同条件下的近壁面流动特性。
3. 近壁面流动行为的特性分析3.1 边界层发展在近壁面区域，流体速度和温度的分布受到壁面的影响，流体会逐渐靠近壁面形成边界层。
边界层的厚度和速度剖面是近壁面流体流动行为的重要特性之一。
边界层的发展可以通过近壁面流动试验和数值模拟进行观测和分析。
3.2 壁面摩擦近壁面流动中，壁面对流体的阻力产生摩擦作用。
壁面摩擦对于控制流体流动、减小能耗具有重要作用。
近壁面流动的壁面摩擦可以通过壁面剪切应力来描述，壁面剪切应力的大小和分布与壁面形状、流体性质等因素相关。
3.3 流动分离在一些特殊情况下，近壁面流体流动会出现流动分离现象，即流体从壁面脱离并形成涡流。
流动分离会显著影响流体的运动和性质，并对工程设计造成不利影响。
通过分析流动分离的机制和特征，可以采取措施来减轻分离现象。
4. 近壁面流动的应用近壁面流动的研究成果在工程领域具有广泛应用。
以下列举几个应用案例：4.1 涡流控制通过改变近壁面流体流动的结构和特性，可以实现涡流控制，从而达到减小流体阻力、提高流体混合效果等目的。
FLUENT常用的湍流模型及壁面函数处理
FLUENT常用的湍流模型及壁面函数处理本文内容摘自《精通CFD工程仿真与案例实战》。
实际上也是帮助文档的翻译，英文好的可直接参阅帮助文档。
FLUENT中的湍流模型很多，有单方程模型，双方程模型，雷诺应力模型，转捩模型等等。
这里只针对最常用的模型。
1、湍流模型描述2、湍流模型的选择有两种方法处理近壁面区域。
一种方法，不求解粘性影响内部区域（粘性子层及过渡层），使用一种称之为“wall function”的半经验方法去计算壁面与充分发展湍流区域之间的粘性影响区域。
采用壁面函数法，省去了为壁面的存在而修改湍流模型。
另一种方法，修改湍流模型以使其能够求解近壁粘性影响区域，包括粘性子层。
此处使用的方法即近壁模型。
（近壁模型不需要使用壁面函数，如一些低雷诺数模型，K-W湍流模型是一种典型的近壁湍流模型）。
所有壁面函数（除scalable壁面函数外）的最主要缺点在于：沿壁面法向细化网格时，会导致使数值结果恶化。
当y+小于15时，将会在壁面剪切力及热传递方面逐渐导致产生无界错误。
然而这是若干年前的工业标准，如今ANSYS FLUENT采取了措施提供了更高级的壁面格式，以允许网格细化而不产生结果恶化。
这些y+无关的格式是默认的基于w方程的湍流模型。
对于基于epsilon方程的模型，增强壁面函数（EWT）提供了相同的功能。
这一选项同样是SA模型所默认的，该选项允许用户使其模型与近壁面y+求解无关。
（实际上是这样的：K-W方程是低雷诺数模型，采用网格求解的方式计算近壁面粘性区域，所以加密网格降低y+值不会导致结果恶化。
k-e方程是高雷诺数模型，其要求第一层网格位于湍流充分发展区域，而此时若加密网格导致第一层网格处于粘性子层内，则会造成计算结果恶化。
这时候可以使用增强壁面函数以避免这类问题。
SA模型默认使用增强壁面函数）。
只有当所有的边界层求解都达到要求了才可能获得高质量的壁面边界层数值计算结果。
这一要求比单纯的几个Y+值达到要求更重要。
近壁面流动特点
近壁面流动特点（原创实用版）目录1.引言2.近壁面流动的定义3.近壁面流动的特点4.近壁面流动的影响因素5.近壁面流动的应用6.结论正文1.引言在流体力学领域，近壁面流动是一种常见的现象。
当流体在管道或容器中流动时，靠近壁面的流体速度会相对较低，这种现象被称为近壁面流动。
了解近壁面流动的特点和影响因素对于工程设计和优化具有重要意义。
2.近壁面流动的定义近壁面流动是指在管道或容器中，流体靠近壁面的区域，由于摩擦力的作用，流体速度相对较低的现象。
在近壁面流动区域内，流体速度梯度较大，流体分子之间发生相互作用，导致流体流动状态发生变化。
3.近壁面流动的特点近壁面流动具有以下特点：(1) 流速分布不均匀：在近壁面流动区域内，流速分布呈现非对称性，靠近壁面的流速较慢，而远离壁面的流速较快。
(2) 速度梯度大：由于壁面摩擦力的作用，近壁面流动区域内速度梯度较大，这会导致能量损失和压力变化。
(3) 流动状态复杂：在近壁面流动区域内，流体分子之间发生相互作用，形成复杂的流动结构，如涡流、横向涡旋等。
4.近壁面流动的影响因素影响近壁面流动的因素主要有：(1) 流体性质：流体的粘度、密度、温度等性质会影响近壁面流动的特点。
(2) 壁面粗糙度：壁面的粗糙度会影响壁面摩擦力的大小，进而影响近壁面流动的特点。
(3) 流动条件：如流速、压力、流量等条件也会影响近壁面流动的特点。
5.近壁面流动的应用近壁面流动在工程中具有广泛的应用，如管道输送、化工设备、热交换器等。
了解近壁面流动的特点和影响因素，可以优化工程设计，提高流体输送效率，降低能耗。
6.结论近壁面流动是一种常见的流体力学现象，具有流速分布不均匀、速度梯度大、流动状态复杂等特点。
影响近壁面流动的因素包括流体性质、壁面粗糙度、流动条件等。
增强壁面处理（Enhanced
增强壁⾯处理（Enhanced wall treatment）
在湍流近壁⾯处理中，增强壁⾯处理(enhanced wall treatment)是two-layer求解低雷诺数模型与增强壁⾯函数两者的结合，如果近壁⾯处的⽹格⾜够密，y-plus等于1,则增强壁⾯处理采⽤two-layer模型进⾏求解ε⽅程;当第⼀层⽹格布置在湍流区时，采⽤增强壁⾯函数将壁⾯物理量与湍流区物理量连接起来。
two-layer模型:
该模型将近壁⾯区域分成两部分，⽤下列公式区分，当该Rey 数⼤于200时，采⽤原来的湍流模型k-ε⽅程求解，但是当该值⼩于200时，k⽅程求解保持不变，但是耗散率⽅程ε中的湍流粘度有所改变。
注意：
1、该增强壁⾯处理存在于所有的ε湍流⽅程中，除了Quadratic RSM模型中。
2、存在于所有的w湍流⽅程中
3、增强壁⾯处理对于y*>15(增强壁⾯函数作⽤）和y*<2（two-layer模型作⽤)计算效果相⼀致，计算中间的⽹格会出现问题，因此建议采⽤增强壁⾯处理时应保证Y-plus<2或者>15.
y*指的是⽹格质⼼距壁⾯的⽆量纲距离。
壁面流动 fluent学习笔记
近壁区流动及fluent求解对策一、边界层1、边界层（boundary layer）是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层，又称流动边界层、附面层。
在这部分区域中，沿着固壁面切向速度由固壁处的0速度发展到接近来流的速度，一般定义为在边界处的流速达到来流流速的99%。
在这部分区域中，由于厚度很小，故速度急剧变化，速度梯度很大，流体的粘性效应也主要体现在这一区域中。
2、边界层有层流、湍流、混合流3、边界层分离边界层流动从物体表面脱离的现象。
二维边界层分离有两种情况，一是发生在光滑物面上，另一是发生在物面有尖角或其他外形中断或不连续处。
光滑物面上发生分离的原因在于，边界层内的流体因克服粘性阻力而不断损失动量，当遇到下游压力变大（即存在逆压梯度）时，更需要将动能转变为压力能，以便克服前方压力而运动，当物面法向速度梯度在某位置上小到零时，表示一部分流体速度已为零，成为“死水”，边界层流动无法沿物面发展，只能从物面脱离，该位置称为分离点。
分离后的边界层在下游形成较大的旋涡区；但也可能在下游某处又回附到物面上，形成局部回流区或气泡。
尖点处发生边界层分离的原因在于附近的外流流速很大，压强很小，因而向下游必有很大的逆压梯度，在其作用下，边界层即从尖点处发生分离。
三维边界层的分离比较复杂，是正在深入研究的课题。
边界层分离导致绕流物体压差阻力增大、飞机机翼升力减小、流体机械效率降低、螺旋桨性能下降等，一般希望避免或尽量推迟分离的发生；但有时也可利用分离，如小展弦比尖前缘机翼的前缘分离涡可导致很强的涡升力。
二、flunet求解壁面区流动对于有固体壁面的充分发展的湍流流动，沿壁面法线的不同距离上可将流动划分为壁面区和核心区。
核心区是完全湍流区，壁面区又分为：粘性底层、过渡层、对数律层。
粘性底层中粘性力占主导，对数律层粘性力影响不明显，流动处于充分发展的湍流状态。
在flunet中，无论是标准k—ε模型、RNGk—ε模型，还是Realizable k—ε模型,都是针对充分发展的湍流才有效的，也就是说，这些模型均是高Re数的湍流模型。
第10章 湍流边界层
第10章 湍流边界层10.1 壁面湍流特性和速度分布规律当边界层内流体及管内流体处于层流流动状态时，流体受到壁面的限制仅仅表现在粘性切应力作用下，进行粘性旋涡的扩散；而当处于湍流流动状态时，流体受到壁面的限制则是在粘性切应力和湍流附加切应力的同时作用下，进行旋涡的扩散。
由于湍动旋涡的扩散速度远大于粘性旋涡扩散的速度，因此，在相同条件下，湍流速度边界层的厚度要比层流速度边界层厚。
但在高雷诺数的条件下，湍流速度边界层仍是贴近壁面的薄层，因此，建立湍流边界层方程的前提条件与层流时相同。
但是，由于两种切应力的作用，湍流速度边界层的结构要比层流速度边界层复杂得多。
因此，一定要先了解壁面湍流的分层结构和时均速度分布规律。
10.1.1 壁面湍流分层结构及其特性在壁面湍流中，随着壁面距离的变化，粘性切应力和湍流附加切应力各自对流动的影响也发生变化。
以y 表示离开壁面的垂直距离，随着y 的增加，粘性切应力的影响逐渐减小，而湍流附加切应力的影响开始不断增大，而后逐渐减小。
这就形成了具有不同流动特征的区域。
壁面湍流速度边界层可以分为内层（壁面区），包括粘性底层、过度层（重叠层）和对数律层（完全湍流层）；外层，包括尾迹律层和粘性顶层（间歇湍流层）。
定义()ρτwx v v ==** (10.1.1) 因为*v 具有速度的量纲，故称为壁面切应力速度，它在湍流中是一个重要的特征速度。
以下对各层的划分做详细说明。
粘性底层：所在厚度约为*50v y ν≤≤，其内粘性切应力起主要作用，湍流附加切应力可以忽略，流动接近于层流状态，因此在早期研究中称之为层流底层。
由于近期的实验研究，观察到该层内有微小旋涡及湍流猝发起源的现象，因此称为粘性底层。
过渡层：所在厚度约为**305vy vνν≤≤，其内粘性切应力和湍流附加切应力为同一数量级，流动状态极为复杂。
由于其厚度不大，在工程计算中，有时将其并入对数律层的区域中。
对数律层：所在厚度约为()δνν2.01030*3*≈≤≤v y v ，其内流体受到的湍流附加切应力大于粘性切应力，因而流动处于完全湍流状态。
FLUENT中文全教程_部分12
粘性模型面板来激活。
增加的项可能出现在能量方程中，这取决于你所用的物理模型。
想知道细节可以看11.2.1章节。
对于标准和带旋流修正k－e模型热传导系数为：这里a由方程10.4-9算出，a0＝1/Pr＝k/uc p。
实际上a随着umol/ueff_而变就像在方程10.4-9中，这是RNG模型的优点。
这和试验相吻合：湍流能量普朗特数随着分子Prandtl数和湍流变化。
方程10.4-9的有效范围很广，从分子Prandtl数在液体的10-2到石蜡的103，这样使得热传导可以在低雷诺数中计算。
方程10.4-9平稳的预测了有效的湍流能量普朗特数，从粘性占主要地位的区域的a＝1/Pr到完全湍流区域的a＝1.393。
对于湍流物质交换同样对待，对于标准和带旋流修正k－e模型，默认的Schmidt数是0.7。
可以在粘性模型面板中改变。
对于RNG模型，有效的湍流物质交换扩散率用一种热交换的计算方法计算。
方程10.4-9的a0＝1/Sc，这里Sc是molecular数。
10.5 标准和SST k-ω模型这一章讲述标准和SST k-ω模型。
俩种模型有相似的形式，有方程k和ω。
SST和标准模型的不同之处是·从边界层内部的标准k-ω模型到边界层外部的高雷诺数的k－e模型的逐渐转变·考虑到湍流剪应力的影响修改了湍流粘性公式10.5 标准k-ω模型标准k-ω模型是一种经验模型，是基于湍流能量方程和扩散速率方程。
由于k-ω模型已经修改多年，k方程和ω方程都增加了项，这样增加了模型的精度标准k-ω模型的方程在方程中，G k是由层流速度梯度而产生的湍流动能。
Gω是由ω方程产生的。
T k和Tω表明了k 和ω的扩散率。
Y k和Yω由于扩散产生的湍流。
，所有的上面提及的项下面都有介绍。
S k和S e 是用户定义的。
模型扩散的影响对k-ω模型，扩散的影响：这里σk和σω是k、ω方程的湍流能量普朗特数。
湍流粘度u t:低雷诺数修正系数a*使得湍流粘度产生低雷诺数修正。
湍流模型介绍
因为湍流现象是高度复杂的，所以至今还没有一种方法能够全面、准确地对所有流动问题中的湍流现象进行模拟。
在涉及湍流的计算中，都要对湍流模型的模拟能力以及计算所需系统资源进行综合考虑后，再选择合适的湍流模型进行模拟。
FLUENT 中采用的湍流模拟方法包括Spalart-Allmaras模型、standard（标准）k −ε模型、RNG（重整化群）k −ε模型、Realizable（现实）k −ε模型、v2 − f 模型、RSM（Reynolds Stress Model，雷诺应力模型）模型和LES（Large Eddy Simulation，大涡模拟）方法。
雷诺平均与大涡模拟的对比因为直接求解 NS 方程非常困难，所以通常用两种办法对湍流进行模拟，即对NS 方程进行雷诺平均和滤波处理。
这两种方法都会增加新的未知量，因此需要相应增加控制方程的数量，以便保证未知数的数量与方程数量相同，达到封闭方程组的目的。
雷诺平均 NS 方程是流场平均变量的控制方程，其相关的模拟理论被称为湍流模式理论。
湍流模式理论假定湍流中的流场变量由一个时均量和一个脉动量组成，以此观点处理NS 方程可以得出雷诺平均NS 方程（简称RNS 方程）。
在引入Boussinesq 假设，即认为湍流雷诺应力与应变成正比之后，湍流计算就归结为对雷诺应力与应变之间的比例系数（即湍流粘性系数）的计算。
根据计算中使用的变量数目和方程数目的不同，湍流模式理论中所包含的湍流模型又被分为二方程模型、一方程模型和零方程模型（代数模型）等大类。
FLUENT 中使用的三种k −ε模型、Spalart-Allmaras 模型、k −ω模型及雷诺应力模型RSM）等都属于湍流模式理论。
大涡模拟（LES）方法是通过滤波处理计算湍流的，其主要思想是大涡结构（又称拟序结构）受流场影响较大，小涡则可以认为是各向同性的，因而可以将大涡计算与小涡计算分开处理，并用统一的模型计算小涡。
FLUENT教程--10-18章
最简单的完整湍流模型是两个方程的模型，要解两个变量，速度和长度尺度。在FLUENT 中，标准k-e模型自从被Launder and Spalding提出之后，就变成工程流场计算中主要的工具了。 适用范围广、经济、合理的精度，这就是为什么它在工业流场和热交换模拟中有如此广泛的 应用了。它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。
ui = ui +ui' """(10.2−1)
这里
u
i
和
u
' i
时时均速度和波动分量。
相似的，像压力和其它的标量
φi =φi +φi' """(10.2−2)
这里φ 表示一个标量如压力，动能，或粒子浓度。
用这种形式的表达式把流动的变量放入连续性方程和动量方程并且取一段一段时间的 平均，这样可以写成一下的形式：
带旋流修正的 k-e 模型是近期才出现的，比起标准 k-e 模型来有两个主要的不同点。 ·带旋流修正的 k-e 模型为湍流粘性增加了一个公式。 ·为耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程 术语“realizable”，意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束，湍流的连续性。 带旋流修正的 k-e 模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测。 而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。 带旋流修正的 k-e 模型和 RNG k-e 模型都显现出比标准 k-e 模型在强流线弯曲、漩涡和 旋转有更好的表现。由于带旋流修正的 k-e 模型是新出现的模型，所以现在还没有确凿的证 据表明它比 RNG k-e 模型有更好的表现。但是最初的研究表明带旋流修正的 k-e 模型在所有 k-e 模型中流动分离和复杂二次流有很好的作用。 带旋流修正的 k-e 模型的一个不足是在主要计算旋转和静态流动区域时不能提供自然 的湍流粘度。这是因为带旋流修正的 k-e 模型在定义湍流粘度时考虑了平均旋度的影响。这 种额外的旋转影响已经在单一旋转参考系中得到证实，而且表现要好于标准 k-e 模型。由于 这些修改，把它应用于多重参考系统中需要注意。 10．2．8 标准 k-ω模型 标准k-ω模型是基于Wilcox k-ω模型，它是为考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播而 修改的。Wilcox k-ω模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流、混合流动、平板绕流、圆柱 绕流和放射状喷射，因而可以应用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。标准k-e模型的一个变 形是SST k-ω模型，它在FLUENT中也是可用的，将在10.2.9中介绍它。 10．2．9 剪切压力传输（SST） k-ω模型 SST k-ω模型由Menter发展，以便使得在广泛的领域中可以独立于k-e模型，使得在近壁 自由流中k-ω模型有广泛的应用范围和精度。为了达到此目的，k-e模型变成了k-ω公式。SST k-ω模型和标准k-ω模型相似，但有以下改进： ·SST k-ω模型和k-e模型的变形增长于混合功能和双模型加在一起。混合功能是为近壁 区域设计的，这个区域对标准k-ω模型有效，还有自由表面，这对k-e模型的变形有效。 ·SST k-ω模型合并了来源于ω方程中的交叉扩散。 ·湍流粘度考虑到了湍流剪应力的传波。 ·模型常量不同 这些改进使得SST k-ω模型比标准k-ω模型在在广泛的流动领域中有更高的精度和可信 度。 10．2．10 雷诺压力模型（RSM） 在FLUENT中RSM是最精细制作的模型。放弃等方性边界速度假设，RSM使得雷诺平均 N-S方程封闭，解决了关于方程中的雷诺压力，还有耗散速率。这意味这在二维流动中加入 了四个方程，而在三维流动中加入了七个方程。 由于RSM比单方程和双方程模型更加严格的考虑了流线型弯曲、漩涡、旋转和张力快速 变化，它对于复杂流动有更高的精度预测的潜力。但是这种预测仅仅限于与雷诺压力有关的 方程。压力张力和耗散速率被认为是使RSM模型预测精度降低的主要因素。 RSM模型并不总是因为比简单模型好而花费更多的计算机资源。但是要考虑雷诺压力的
流体力学中的湍流边界层
流体力学中的湍流边界层湍流边界层是流体力学中一个重要的概念，它在流体流动中起着至关重要的作用。
湍流边界层是指流体在固体边界附近出现湍动现象的一层区域。
在此，将介绍湍流边界层的基本概念、特点以及其在流体力学中的应用。
一、湍流边界层的基本概念湍流边界层是指流体在与固体表面接触的区域内，由于流体的湍动而形成的一层动量和能量传输较强的流动层。
湍流边界层的出现与流体黏性有关，主要包括两个区域：靠近固体表面的黏性子层和较远离固体表面的湍动子层。
1. 黏性子层黏性子层位于流体与固体表面直接接触的区域，特点是流速变化缓慢、剪切应力主导、湍动强度较弱。
黏性子层的厚度与黏性流体性质相关，黏性较小的流体黏性子层厚度较大。
2. 湍动子层湍动子层位于黏性子层之上，主要特点是流速变化剧烈、湍动强度较大。
湍动子层中的湍流涡旋互相交错、不断破裂与重组，形成了湍流边界层内的流动。
二、湍流边界层的特点湍流边界层在流体力学中有以下几个显著的特点：1. 局部流速变化剧烈湍流边界层中的流速变化剧烈，流速的横向分布呈现出复杂的涡旋结构。
这种流速变化的不规则性使得湍流边界层内的流动难以预测和描述。
2. 高湍动强度湍流边界层内湍动强度较大，湍流涡旋的大小和速度均较黏性子层中的流动要大得多。
湍动的存在导致湍流边界层内的流体混合和动量传输增强。
3. 二次流现象与涡旋结构湍流边界层中的流动往往伴随着二次流现象和复杂的涡旋结构。
二次流现象是指流体在边界层中沿壁面方向发生的流动，而涡旋结构则表现为湍流涡旋的大小、密度和分布等特性。
三、湍流边界层在流体力学中的应用湍流边界层在许多工程和科学应用中起着重要作用，下面介绍其中几个常见的应用。
1. 阻力与摩擦系数计算湍流边界层的存在会导致流体流动阻力的增加，因此在设计和计算中需要考虑湍流边界层对阻力的影响。
摩擦系数是评估湍流边界层影响的一个重要参数，它描述了湍流边界层相对黏性子层的流动速度与剪切应力之间的关系。
湍流减阻原理和应用
湍流减阻原理和应用嘿，朋友！想象一下你在湍急的河流中划船，那水流疯狂地冲击着船舷，让你费尽力气也前进不了多少。
这时候，如果能有一种神奇的力量让这凶猛的水流变得温顺，让你的船轻松前行，是不是很棒？其实啊，这背后就隐藏着湍流减阻原理的奥秘。
在我们的日常生活中，湍流随处可见。
比如当你打开水龙头，水哗哗地流出来，如果水流很急，就会形成湍流。
再比如，当风呼呼地吹过街道，遇到建筑物时也会形成湍流。
而湍流减阻原理，就是要在这些看似混乱的流动中找到规律，然后想办法减少阻力，让物体能够更顺畅地移动。
咱们来瞧瞧飞机在天空中飞行的场景。
飞机那庞大的身躯在空气中穿梭，空气可不会轻易放过它，会形成强大的阻力。
如果不解决这个问题，飞机不仅飞得费劲，还会消耗大量的燃料。
这时候，湍流减阻原理就派上用场啦！科学家们通过研究发现，在飞机的表面采用一些特殊的涂层或者设计一些微小的结构，就能够有效地减少空气湍流带来的阻力，让飞机飞得又快又稳。
那湍流减阻原理在日常生活中还有哪些应用呢？比如说，游泳的时候。
你看那些专业的游泳运动员，他们的泳衣可都是精心设计的。
泳衣的材质和表面纹理能够减少水流在身体表面形成的湍流，从而降低阻力，让他们在水中如鱼得水。
还有汽车！汽车在高速行驶时，空气的阻力可不小。
为了让汽车跑得更顺畅，更省油，工程师们也在利用湍流减阻原理。
他们会优化汽车的外形，让空气能够更平滑地流过车身，减少阻力。
你可能会问，这湍流减阻原理到底是怎么做到减少阻力的呢？这就好比在一条拥挤的街道上，如果大家都乱哄哄地挤来挤去，那谁也走不快。
但要是有个指挥的人，让大家有序地排队前行，是不是就顺畅多了？湍流减阻原理就是那个“指挥的人”，通过改变流体的流动状态，让它们更有秩序，从而减少阻力。
想象一下，如果没有湍流减阻原理的应用，我们的生活会变得多么糟糕？飞机可能要耗费更多的燃料，飞行成本会大幅增加，机票价格可能会高得让我们望而却步。
汽车可能会变得更加耗油，我们的出行成本也会随之上升。
近壁面流动特点范文
近壁面流动特点范文层流流动是指流体在薄层内按照一定的规则和顺序进行流动。
在近壁面流动中，当流速较小或粘性较高时，流体分子之间的相互作用力会发挥更大的作用，流体分子的运动方式更为有序。
在这种情况下，流体沿壁面的流动速度较小，流线较为平行，呈现层流流动特点。
层流流动的特点是流线间无交叉和波动现象，速度分布较为均匀。
湍流流动是指流体在近壁面流动过程中，具有不规则的、随机的速度变化，流线交叉和波动现象，流速在空间和时间上的无规则变化。
湍流流动是由于涡的形成和瓦状层的破裂、混合和扩散等因素引起的。
在近壁面流动中，当流速较大或粘性较低时，流体分子的运动方式更为混乱，流体沿壁面的流动速度较大，流线不再平行，流体呈现湍流流动特点。
湍流流动的特点是速度分布不均匀，流线间发生交叉和波动，存在涡流和尾旋等现象。
近壁面流动的特点还包括剪切层和墙面影响等方面。
剪切层是指靠近壁面的流体层与自由流动区域之间速度分布不均匀的区域。
在剪切层中，流体分子之间的速度差异很大，由于粘性作用，流体层之间存在着明显的速度梯度。
剪切层的存在对近壁面流动产生了很大影响，它是湍流生成的基础。
墙面影响是指近壁面流动受壁面物理性质的影响，如壁面的粗糙度、温度和压力等，会改变流体的速度和流动状态。
对于近壁面流动的研究，可以通过实验、数值模拟和理论分析等方法进行。
实验方法主要包括直接观测和间接测量两种。
直接观测是指通过实验装置观察流动现象，如流线和涡流等。
间接测量是通过测量一些流动参数，如速度、压力和温度等，来推测流动的状态和特性。
数值模拟是通过计算机模拟流动的过程，利用数学和物理方程式来描述流动的变化和发展。
理论分析是通过建立流动的数学模型，通过求解模型方程来得到近壁面流动的解析解。
近壁面流动的研究对于理解和应用于一些工程和科学领域有着重要的意义。
在空气动力学和流体工程中，近壁面流动的特点对于飞行器和汽车等的空气动力性能有着重要的影响。
研究近壁面流动还能帮助优化流体传输系统，提高动力学和热力学效率。
流体力学中的流体流动的湍流流动的湍流层效应
流体力学中的流体流动的湍流流动的湍流层效应湍流是流体力学中一种非线性、不稳定的流动状态，其特征是流动速度和压力的瞬时波动，并且在时间和空间上都是随机的。
湍流流动在自然界广泛存在，涉及到气体、液体以及其他可流动的物质。
在流体力学中，研究湍流流动是一项重要的课题，其中湍流层效应是湍流流动的一个重要现象。
湍流层是指在管道、河流或者空气流动等情况中，流体与固体壁面发生相互作用时，由于摩擦力的存在，使得流体流动产生的一种特殊现象。
在湍流层中，流体速度在垂直于壁面的方向上出现快速变化，并且速度强度较大；而在水平方向上，速度呈现规则的变化。
这种非均匀性的流动导致了湍流层效应的出现。
湍流层效应对流体流动产生了许多重要影响。
首先，湍流层效应增强了流体的混合和传热能力。
由于湍流层的不断变化和混乱性，使得流体中的温度和组分更容易混合，并且能够更快地传递热量。
这在很多工程和自然现象中都显得尤为重要，比如在化工过程中的反应器设计、气候系统中的空气传热等。
其次，湍流层效应增加了流体的阻力。
在湍流层中，流体与壁面之间摩擦力的存在导致了阻力的增加。
这使得流体在流动过程中需要消耗更多的能量，进而降低了流体的速度。
在水动力学和风力学中，湍流层效应对于流体在管道、水流中的输送都会产生明显的影响。
此外，湍流层效应还与声传播有关。
在湍流层中，流速的不断变化和速度梯度的存在导致了空气的扰动和噪声的产生。
这对于一些对声音敏感的场合，比如飞机起降噪声减低、建筑物噪声控制等有着重要的实际意义。
总之，湍流层效应作为流体力学中湍流流动的一个重要现象，对于流体的混合与传热、流体的阻力以及声传播等方面都产生了重要的影响。
深入研究湍流层效应对于理解和控制湍流流动具有重要的意义，能为相关领域的工程和科学研究提供更多的参考和指导。
胡言｜近壁面处理
胡言｜近壁面处理本文主要描述ANSYS CFD中近壁面处理方式及壁面函数的选择。
本文内容翻译自ANSYS官方PPT。
1 近壁处理的目的•壁面是涡及湍流的主要来源•壁面会导致湍流动量边界层：变化最剧烈的位置出现在靠近壁面的区域o外部流动的摩擦阻力或内部流动的压力降预测取决于壁面局部剪切预测的保真度o钝体的压力阻力与分离区域有关•对于多数工业场景CFD模拟，采用非常精细的网格来计算边界层内部的陡峭梯度依然过于昂贵•在较粗的计算网格上进行精确的近壁面建模对于大多数工程应用依然非常重要2 近壁面流动行为如下图所示。
近壁面速度分布表现出分层结构：•子层（Sublayer）：粘性力占主导地位•对数层（Logarithmic layer）：该区域内流动受对数律支配•外层（Outer layer）：流动取决于平均流动•在对数层中，湍动能的产生与耗散几乎相等，称之为湍流平衡（Turbulent equilibrium）•粘性子层中，湍动能耗散远大于产生3 近壁面一些物理量•附加的物理量：o与壁面的间距yo运动粘度γ•基于壁面剪切应力的一些无量纲变量式中，U为平行壁面方向与壁面距离Δy位置的速度；uτ为摩擦速度，U 为无量纲近壁面速度；y 为无量纲壁面距离；τw为壁面剪切应力•近壁面处理的目的是为这些无量纲变量找到一个通用的壁面行为4 近壁面速度近壁面速度分布如下图所示。
•粘性子层内o分子粘性在动量及热传递中起着主导作用o粘性子层内，湍流脉动被抑制，壁面剪切应力几乎全为粘性力，u动量方程可简化为：从而可以得到线性速度分布：•对数层内•o假设该区域内的无量纲速度分布于流型无关（k，C为常数）o对数层内速度分布为5 近壁面处理方式目前主要采用两种方式：•壁面函数法（Wall Function Method）•o利用经验公式处理粘性子层o剩余的边界层区域依然需要求解•低雷诺数方法（Low Reynolds Number method）•o输运模型可以跨粘性子层进行积分o不涉及任何近壁速度变化的假设o需要非常细密的近壁面网格o这里的低雷诺数指的是湍流雷诺数6 标准壁面函数6.1 标准壁面函数基本介绍•基于近壁面网格中心位于边界层对数区的假设，建立一套经验公式•平均速度分布••利用局部平衡假设计算壁面邻接网格内的湍动能与湍流耗散率••当第一层网格中心位置不正确（落到粘性子层内部或对数层外部）会导致不正确的计算结果。
近壁面流动特点
近壁面流动特点摘要：1.引言2.近壁面流动的定义与分类3.近壁面流动的特点4.近壁面流动的影响因素5.近壁面流动的实际应用6.结论正文：1.引言在流体力学领域，近壁面流动是一种常见的流动现象。
在管道、河流、海洋等各种流体传输系统中，近壁面流动都会出现。
对于这种现象，人们需要深入研究其特点、影响因素以及实际应用，从而更好地理解和利用这种流动现象。
2.近壁面流动的定义与分类近壁面流动，顾名思义，是指流体在靠近壁面的区域内的流动。
根据流动状态的不同，近壁面流动可以分为层流和湍流两种类型。
3.近壁面流动的特点近壁面流动的特点主要表现在以下几个方面：(1) 流速分布：在靠近壁面的区域内，流速会明显减小，形成一个流速较低的区域，这个区域被称为“壁层”。
壁层内的流速分布呈现抛物线状，壁层厚度随着流速的增加而减小。
(2) 流动阻力：由于壁层的存在，近壁面流动的阻力较大。
在层流状态下，壁层内阻力较小，而在湍流状态下，壁层内阻力剧烈增大，导致近壁面流动的阻力显著增加。
(3) 壁面摩擦：由于流体与壁面之间的摩擦作用，壁面摩擦力对近壁面流动产生显著影响。
在层流状态下，壁面摩擦力较小；而在湍流状态下，壁面摩擦力显著增大，对近壁面流动的影响也更为明显。
4.近壁面流动的影响因素影响近壁面流动的因素主要有：流体性质（如粘度、密度等）、流速、管道或通道的形状和尺寸、壁面的粗糙程度等。
这些因素都会对近壁面流动的特点产生影响，如壁层厚度、阻力、壁面摩擦力等。
5.近壁面流动的实际应用近壁面流动在工程实践中具有广泛的应用，如流体输送、热交换、润滑等。
了解和掌握近壁面流动的特点和规律，可以优化设计和运行参数，提高系统的工作效率和安全性。
6.结论近壁面流动作为一种常见的流体动力现象，具有独特的特点和影响因素。
壁面流动 fluent学习笔记
近壁区流动及fluent求解对策一、边界层1、边界层（boundary layer）是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层，又称流动边界层、附面层。
在这部分区域中，沿着固壁面切向速度由固壁处的0速度发展到接近来流的速度，一般定义为在边界处的流速达到来流流速的99%。
在这部分区域中，由于厚度很小，故速度急剧变化，速度梯度很大，流体的粘性效应也主要体现在这一区域中。
2、边界层有层流、湍流、混合流3、边界层分离边界层流动从物体表面脱离的现象。
二维边界层分离有两种情况，一是发生在光滑物面上，另一是发生在物面有尖角或其他外形中断或不连续处。
光滑物面上发生分离的原因在于，边界层内的流体因克服粘性阻力而不断损失动量，当遇到下游压力变大（即存在逆压梯度）时，更需要将动能转变为压力能，以便克服前方压力而运动，当物面法向速度梯度在某位置上小到零时，表示一部分流体速度已为零，成为“死水”，边界层流动无法沿物面发展，只能从物面脱离，该位置称为分离点。
分离后的边界层在下游形成较大的旋涡区；但也可能在下游某处又回附到物面上，形成局部回流区或气泡。
尖点处发生边界层分离的原因在于附近的外流流速很大，压强很小，因而向下游必有很大的逆压梯度，在其作用下，边界层即从尖点处发生分离。
三维边界层的分离比较复杂，是正在深入研究的课题。
边界层分离导致绕流物体压差阻力增大、飞机机翼升力减小、流体机械效率降低、螺旋桨性能下降等，一般希望避免或尽量推迟分离的发生；但有时也可利用分离，如小展弦比尖前缘机翼的前缘分离涡可导致很强的涡升力。
二、flunet求解壁面区流动对于有固体壁面的充分发展的湍流流动，沿壁面法线的不同距离上可将流动划分为壁面区和核心区。
核心区是完全湍流区，壁面区又分为：粘性底层、过渡层、对数律层。
粘性底层中粘性力占主导，对数律层粘性力影响不明显，流动处于充分发展的湍流状态。
在flunet中，无论是标准k—ε模型、RNGk—ε模型，还是Realizable k—ε模型,都是针对充分发展的湍流才有效的，也就是说，这些模型均是高Re数的湍流模型。
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壁面对湍流有明显影响。
在很靠近壁面的地方，粘性阻尼减少了切向速度脉动，壁面也阻止了法向的速度脉动。
离开壁面稍微远点的地方，由于平均速度梯度的增加，湍动能产生迅速变大，因而湍流增强。
因此近壁的处理明显影响数值模拟的结果，因为壁面是涡量和湍流的主要来源。
实验研究表明，近壁区域可以分为三层，最近壁面的地方被称为粘性底层，流动是层流状态，分子粘性对于动量、热量和质量输运起到决定作用。
外区域成为完全湍流层，湍流起决定作用。
在完全湍流与层流底层之间底区域为混合区域（Blending region），该区域内分子粘性与湍流都起着相当的作用。
近壁区域划分见图4－1。
图4－1，边界层结构第一节，壁面函数与近壁模型近壁处理方法有两类：第一类是不求解层流底层和混合区，采用半经验公式（壁面函数）来求解层流底层与完全湍流之间的区域。
采用壁面函数的方法可以避免改进模型就可以直接模拟壁面存在对湍流的影响。
第二类是改进湍流模型，粘性影响的近壁区域，包括层流底层都可以求解。
对于多数高雷诺数流动问题，采用壁面函数的方法可以节约计算资源。
这是因为在近壁区域，求解的变量变化梯度较大，改进模型的方法计算量比较大。
由于可以减少计算量并具有一定的精度，壁面函数得到了比较多的应用。
对于许多的工程实际流动问题，采用壁面函数处理近壁区域是很好的选择。
如果我们研究的问题是低雷诺数的流动问题，那么采用壁面函数方法处理近壁区域就不合适了，而且壁面函数处理的前提假设条件也不满足。
这就需要一个合适的模型，可以一直求解到壁面。
FLUENT提供了壁面函数和近壁模型两种方法，以便供用户根据自己的计算问题选择。
4.1.1壁面函数FLUENT 提供的壁面函数包括:1，标准壁面函数；2，非平衡壁面函数两类。
标准壁面函数是采用Launder and Spalding [L93]的近壁处理方法。
该方法在很多工程实际流动中有较好的模拟效果。
4.1.1.1 标准壁面函数根据平均速度壁面法则，有：**1ln()U Ey k = 4－1其中，1/41/2*/p pw U C k U μτρ≡，1/41/2*p pC k y y μρμ≡，并且k ＝0.42，是V on Karman 常数；E ＝9.81，是实验常数；p U 是P 点的流体平均速度；p k 是P 点的湍动能；p y 是P 点到壁面的距离；μ是流体的动力粘性系数。
通常，在*30~60y >区域，平均速度满足对数率分布。
在FLUENT 程序中，这一条件改变为*11.225y >。
当网格出来*11.225y <的区域时候，FLUENT 中采用层流应力应变关系，即：**U y =。
这里需要指出的是FLUENT 中采用针对平均速度和温度的壁面法则中，采用了*y ，而不是y +（/u y τρμ≡）。
对于平衡湍流边界层流动问题，这两个量几乎相等。
根据雷诺相似，我们可以根据平均速度的对数分布，同样给出平均温度的类似分布。
FLUENT 提供的平均温度壁面法则有两种：1，导热占据主要地位的热导子层的线性率分布；2，湍流影响超过导热影响的湍流区域的对数分布。
温度边界层中的热导子层厚度与动量边界层中的层流底层厚度通常都不相同，并且随流体介质种类变化而变化。
例如，高普朗特数流体（油）的热导子层厚度比其粘性底层厚度小很多；对于低普朗特数的流体（液态金属）相反，热导子层厚度比粘性底层厚度大很多。
1/41/2*()w p p PT T c C k T q μρ-≡'' 4－2 ＝()1/41/2*2*1/41/2221Pr Pr 21Pr ln()1Pr Pr Pr 2p p t p t p t c C k y U q Ey P k C k U U q μμρρ⎧+⎪''⎪⎪⎪⎡⎤++⎨⎢⎥⎣⎦⎪⎪⎪⎡⎤+-⎣⎦''⎪⎩ ****()()T T y y y y <> 4－3其中P 的计算采用下列公式[L93]1/41/2Pr /41sin(/4)Pr Pr t t A Pr P k ππ⎛⎫⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭ 4－4其中，f k 是流体导热系数；ρ是流体密度；p c 是流体定压比热；q ''壁面热流；p T 近邻壁面控制体温度；w T 壁面温度；Pr /p f c k μ=为分子普朗特数；Pr t 是湍流普朗特数，壁面取0.85；A ＝26，是Van Dries 常数；k ＝0.42，是V on Karman 常数；E ＝9.793，是壁面函数常数；c U 是**T y y =时的平均速度大小。
Fluent 中，当选择了流体介质后，就可以根据流体介质的物理性质，计算出分子普朗特数，热导子区厚度*T y ，存储备用。
在求解的时候，根据*y 与已经存储的*T y 之间大小关系，判断是采用线性法则还是对数法则来计算壁面温度W T 或热流率q ''。
在采用雷诺应力模型或ε-k 双方程模型时，包括壁面近邻的控制体的湍动能都要计算，其边界条件为湍动能在壁面法向方向上梯度为零。
湍动能产生项k G 及耗散率是湍动能输运方程的源项组成部分，根据局部平衡假设来计算。
根据这一假设，与壁面毗邻的控制体种湍动能及其耗散率是相同的。
则湍动能产生率为：pp w wwk y k C k y UG 2/14/1μρτττ=∂∂≈ 4－5 耗散率不需要求解输运方程，直接用如下公式计算：ppp ky k C 2/34/3με=4－6以上所介绍的标准壁面函数是FLUENT 程序的默认设置。
标准壁面函数包含了定常剪切和局部平衡假设条件，如果壁面有很强的压力梯度，并且很强的非平衡性，则我们可以选择非平衡壁面函数方法。
4.1.1.2 非平衡壁面函数在非平衡壁面函数方法中，平均温度的壁面法则与标准壁面函数中相同。
而对数分布的平均速度对压力梯度更加敏感：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=μρρτμμy k C E k kC U w 2/14/12/14/1ln 1/~ 4－7 式中，⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=μρρνννν22/1*2/1*ln 21~y k k y y y y k k y dx dp U U 4－8 νy 是物理粘性底层厚度，用下式计算：2/14/1*pkC y y μννρμ≡4－9其中，225.11*=νy 。
非平衡壁面函数在计算近壁控制体湍动能时采用了双层的概念，并且需要求解湍动能k 。
假定与壁面毗邻的控制体积是由粘性底层和完全湍流构成，则湍流量由如下公式得到：⎪⎩⎪⎨⎧=w t ττ0ννy y y y >< ⎪⎩⎪⎨⎧=pp k k y y k 2)(ν ννy y y y >< ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=yC k y kl 2/322νε ννy y y y >< 4－10 式中，4/3-=μkC C l ，νy 是有量纲的粘性底层厚度，2/14/1*pk C y y μννρμ≡ 。
利用上面的公式，近壁控制体里面的控制体平均湍动能产生率及其耗散率就可以计算出来。
这里我们可以看出，非平衡壁面函数抛弃了标准壁面函数中的局部平衡假设，从而可以考虑非平衡的影响。
标准壁面函数对于高雷诺数流动问题，有壁面作用的流动过程等有较好的计算结果；非平衡壁面函数则把壁面函数方法推广到有压力梯度和非平衡的流动过程中。
但是，如果流动情况偏离了壁面函数的理想条件，则壁面函数就不合适了。
如：高粘度流体流过狭窄的通道，壁面由渗透的流动，大压力梯度并导致边界层分离的流动，由强体积力的流动，近壁区域三维性很强的流动问题。
如果要成功解决上述问题，必须采用改进模型的方法来模拟近壁流动。
FLUENT 提供了双层区模型（Two-Layer Zonal Model ）。
4.1.1.3双层区模型在双层区模型中，认为近壁流动只分两个区域，即粘性影响的区域和完全湍流，用基于到壁面距离y 的雷诺数y Re 来区分两个区域。
μρyk y ≡Re 4－11 其中，y 是计算网格到壁面的垂直距离；FLUENT 中，y 是到最近壁面的距离:w r r r y ww-≡Γ∈min 4－12式中，r是点在流场中的位置矢量；w r是在边界上的位置矢量；w Γ是所有壁面边界的集合；这样，我们可以去处理流场里有复杂边界的问题。
而且，这样定义y 跟网格的形状没有关系，对非结构网格也同样适合。
在完全湍流区域（200Re >y ），采用雷诺应力模型或者ε-k 模型；在粘性影响区域（200Re <y ），采用Wolfstein [L181]的单方程模型。
动量和湍动能输运方程跟前面介绍的没有区别，但计算湍流粘性系数的方法不同。
这里湍流粘性系数计算公式如下：u t l k C μρμ=耗散率计算εεl k 2/3= 4－13 上面的长度尺度根据参考文献[L29]的方法计算：]1[Re uy A l u ey c l --= 4－14]1[Re εεA l y ey c l --= 4－15如果所有的计算区域都在粘性影响的区域以内（200Re <y ），耗散率的输运方程并不需要求解，而是用上面的代数方程来就得。
上面长度尺度计算过程中的模型常数采用Chen and Pater [L29]的结果。
4/3-=μkC c l ， 70=u A ， l c A 2=ε第二节，湍流计算中近壁处理对网格的要求一个成功的湍流计算离不开好的网格。
在许多的湍流中，空间的有效粘性系数不同，是平均动量和其它标量输运的主要决定因素。
因此，如果需要有足够的精度，这就需要保证湍流量要比较精确求解。
由于湍流与平均流动有较强的相互作用，因此求解湍流问题比求解层流时候更依赖网格。
你可以用后处理面板去画出+y ，*y 和y Re 的值来检查网格是否满足自己的计算要求。
需要指出的是计算出来的+y ，*y 和y Re 并不是只与几何参数有关的固定量，它们也和最后的收敛解解有关系。
所以，如果你把网格加密一倍（到壁面的距离减少一半），计算得到的+y 并不一定是加密前计算的+y 的一半。
对于近壁网格而言，不同的近壁处理对网格要求也不同。
下面对常见的几种近壁处理的网格要求做个说明。
采用壁面函数时候的近壁网格：第一网格到壁面距离要在对数区内。
通常计算的距离为+y （μρτ/y u ≡或*y 。
如果网格在对数区内，+y 和*y 的值差不多大小。
我们知道，对数区的+y >30～60。
FLUENT 在+y <12.225时候采用层流（线性）准则，因此网格不必要太密，因为壁面函数在粘性底层更本不起作用。
对数区与完全湍流的交界点随压力梯度和雷诺数变化。
如果雷诺数增加，该点远离壁面。