FLUENT中壁面函数和近壁面模型

FLUENT中壁面函数和近壁面模型

技术邻作者：Jessica_4643

文章所包含相关领域及技术点：壁面函数、近壁面模型、fluent

在数值模拟中，如何有效处理固体壁面附近的流场一直是一个比较棘手的问题。一个稍复杂一点算例，简单更换一下壁面处理方法对计算结果都有较显著的影响，在缺少实验数据验证和流场涉及多种流动形态时，如何选择行之有效和经济合理的算法是一个艰难的考验，一般需要仔细考察流场与算法机理之间的契合度。

边界层分为层流边界层和湍流边界层，层流边界层为最靠近壁面或者层流流动时的边界层，对于一般湍流流动，两种边界层都有。按参数分布规律划分时，边界层分为内区和外区，内区分为：

粘性底层，Laminar sublayer(y+<5，Amano的三层模型)，粘性起主导作用，在粘性支层中与壁面平行的速度与离开壁面的距离成线性关系（陶文铨，《数值传热学》）；

过渡层，Buffer region(5

对数律层，Log-law region（30

外区：惯性力主导，上限取决于雷诺数

图1边界层结构（引自中科大Fluent讲稿）

FLUENT中有两种方法处理近壁面区域：

A.壁面函数法。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。Fluent中的standard wa ll functions，scalable wall functions,Non-Equilibrium wall functions和En hanced wall treatment都属于壁面函数法的模型。

B.近壁模型法。修改湍流模型以使其能够求解近壁粘性影响区域，包括粘性底层。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。而y+无关的格式是默认的基于w方程的低湍流模型，其采用网格求解的方式计算近壁面粘性区域。对于基于epsil on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。

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。

使用近壁模型法时，覆盖边界层的最小网格数量在10层左右，最好能达到20层。还有一点需要注意的是，提高边界层求解常常可以取得稳健的数值计算结果，因为只需要细化壁面法向方向网格。对于非结构网格，建议划分10~20层棱柱层网格以提高壁面边界层的预测精度。棱柱层厚度应当被设计为保证有15层或更多网格节点。另外，棱柱层大于边界层厚度是必要的，否则棱柱层会限制边界层的增长。这可以在获得计算结果后，通过查看边界层中心的最大湍流粘度，该值提供了边界层的厚度（最大值的两倍位置即边界层的边）。

一些建议：（1）对于epsilon方程，使用enhanced壁面函数。（2）若壁面函数有助于epsilon方程，则可以使用scalable壁面函数。（3）对于基于w方程的模型，使用默认的增强壁面函数。（4）SA模型，使用增强壁面处理。

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