Fluent学习笔记之壁面网格与yplus的选择

壁面网格与y+的选择（参考官方手册ANSYS_Fluent_Theory_Guide19.2）

大量的实验表明，近壁区域可以大致细分为三层。在最内层，称为“粘性子层”，流动几乎是层流的，(分子)粘性在动量和热量或质量传递中起主导作用。在被称为“湍流充分发展层”的外层，湍流起着主要作用。最后，在粘性子层和湍流充分发展层之间有一个过渡区域，叫做“缓冲层”或“混合区”，在这里分子粘度和湍流的影响是同等重要的

其中y+定义为

y+≝ρuτy/μ

其中uτ定义为

uτ=√τw/ρ

“壁面函数法”与“近壁模型法”

传统的近壁区域建模方法有两种。在第一种方法中，不解决粘度影响的内部区域(粘性子层和缓冲层)。相反，被称为“壁面函数”的半经验公式被用来连接壁面和全紊流区域之间的粘滞区域。使用壁面函数避免了需要修改湍流模型来考虑壁面的存在。在另一种方法中，对湍流模型进行了修改，使粘滞区通过网格一直到壁面(包括粘滞子层)进行求解。为了便于讨论，我们将其称为“近壁建模”方法。这两种方法如图4.14所示。

图4.14: ANSYS Fluent中的近壁面处理

所有壁面函数(scalable wall function除外)的主要缺点是在壁面法向网格细化的情况下，计算结果会恶化。Y+小于15会逐渐导致壁面剪应力和壁面传热的误差增大。但这已经是几年前的工业标准，ANSYS Fluent已经能够提供更先进的壁面方程，允许一致的网格细化没有恶化的结果。对所有基于ω方程的湍流模型都采用这种与y+无关的公式。对于基于ε-方程的模型，Menteri-Lechner和增强壁面处理(Enhanced Wall Treatment, EWT)具有相同的作用。对y+不敏感的壁面处理也是Spalart-Allmaras模型的默认值，它允许你不用考虑近壁面的y+值而运行此模型。

只有当边界层的整体分辨率足够时，才能得到高质量的边界层数值结果。这个要求实际上比实现特定的y+值更重要。精确覆盖边界层的最小单元数约为10个，但理想值为20。还应该注意的是，边界层分辨率的改善通常可以通过适度增加数值上的努力来实现，因为它只需要在壁面法线方向进行网格细化。这样可增加数值结果的准确性，即使导致额外的计算成本也是值得的。对于非结构网格，建议在近壁面处生成10-20或更多的棱柱层，以便准确预测壁面边界层。棱柱层的厚度应设计为确保实际覆盖边界层的节点为15个或更多。在得到解之后，可以通过观察湍流粘度来检验这一点，湍流粘度在边界层的中间有一个最大值——这个最大值表示边界层的厚度(最大值位置的两倍表示边界层的边缘)。棱柱层必须比边界层厚，否则会有棱柱层限制边界层增长的危险。

建议：

对于ε-方程的湍流模型，使用Menter-Lechner或Enhanced Wall Treatment

If wall functions are favored with the -equation, use scalable wall functions（没太明白这句话的意思）

对于基于ω方程的模型，使用默认的y+不敏感型壁面处理ω方程

对于Spalart-Allmaras模型，使用默认的y+不敏感型壁面处理

自己的理解：Fluent中采用k-e模型时，推荐用M-L或EWT壁面处理，这两种对于y+是不敏感的，既适用于细网格（壁面y+接近1，此时自动调用近壁模型法），也适用于粗网格（y+>30，此时自动调用壁面函数法）；采用k-w模型时，没有壁面函数的选项，

因为基于w的模型自动采用对y+不敏感的w方程。因此，在不需要精确求解粘性子层流动特性的情况下（如一般的工程计算），第一层网格的y+一般取30以上就可以（网上说甚至可以达到200-400），太密的话反而耗费计算资源；如果需要研究边界层内的流动特性，则需要把y+设置到1以内，并且边界层网格数建议多一些，如10层~20层，使之能覆盖过渡区和湍流充分发展区