FLUENT中壁面函数 vs 近壁面模型

1、FLUENT中壁面函数vs近壁面模型在数值模拟中，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

2、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(5y+30)，湍流作用与粘性作用共同作用；对数律层，Log-law region（303060的区域，平均速度满足对数率分布。在FLUENT程序中，这一条件改变为y+11.225。当网格y+11.225时，FLUENT中采用层流应力应变关系，即：U+=Y+。对于对一层网格所在的y+值，各个学者推荐的范围是不一样的，但一般在30-60之内肯定是没有问题的。也有推荐10-110甚至200的。y+的值合理，意味着你的第一层边界网格布置比较合理，如果y+不合理，就要调整你的边界层网格。y+普遍存在于湍流问题中，Y

3、+是由solver解出來的結果，网格划分时，底层网格一般布置到对数分布律成立的范围内，即11.530=y+=200400。在计算开始时，y+并不知道，这些值需要在计算过程中加以调整。数值计算实践表明，y+对传热特性的影响比较大，往往存在一个合适的取值范围，在该范围内数值计算结果与实验数据的符合较好。算每个模型都要先大概算一下，然后得到y+，然后再算第一层高度，重新画网格，貌似像是一个迭代的过程。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

4、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。标准壁面函数用于以下模型：k-epsilon模型与Reynolds stress模型。这两个模型均为高雷诺数模型。2、Scalable wall functions该壁面函数是14.0新加的，以前的版本中没有。也是CFX软件中默认的湍流壁面函数。该壁面函数能避免在y*11时，该壁面函数的表现与标准壁面函数一致。scalable壁面函数的目的在于联合使用标准壁面

5、方法以强迫使用对数律。该功能是通过使用限制器y*=max(y*,y*limit)来实现的，其中y*limit=11.06。3、Non-equilibrium wall functions非平衡壁面函数的特点：（1）用于平均速度的launder及spalding的对数律对于压力梯度效应敏感。（2）采用双层概念以计算临壁面单元的湍流动能。对于平均温度及组分质量分数则与标准壁面函数处理方式相同。非平衡壁面函数考虑了压力梯度效应，因此对于涉及到分离、再附着、及撞击等平均速度与压力梯度相关且变化迅速的复杂流动问题，推荐使用些壁面函数。但是非平衡壁面函数不适合于低雷诺流动问题。非平衡壁面函数适用于高雷诺流

6、动问题，适用于以下湍流模型：（1）K-epsilon模型；（2）Reynolds stress transport模型。4、Enhanced wall treatment不依赖于壁面法则，对于复杂流动尤其是低雷诺数流动问题很适合。该方法要求近壁面网格很密，y+接近于1，比low-Reynolds number model要求的网格更密。对于epsilon方程的近壁面处理结合了速度分布双层模型和壁面增强处理函数。增强壁面处理使用传统的双层区域模型（整个计算域被划分为粘性影响区域和充分湍流区域）给边界层分区，然后给近壁单元指定湍流耗散率e和湍流粘度。增强型壁面函数的特点是用一个单一的壁面函数平滑地

7、混合了对数层公式与层流公式，这样它的计算范围扩展到了全部近壁区域。增强壁面函数可用于以下湍流模型：（1）所有的基于epsilon的湍流模型（不包括二次RSM模型）（2）所有的w模型（3）对于SA模型，这一选项不可用。然而，这一模型对于壁面函数（y*15）及粘性子层网格（y*15，要么y*2壁面函数方法的局限对于大多数壁面边界流动问题，标准壁面函数能给出合理的预测。非平衡壁面函数考虑了压力梯度效应，扩展了标准壁面函数的功能。但是一些流动问题不适合使用壁面函数，否则可能导致不合理的解。如以下一些情况：（1）低雷诺数流动或近壁面效应（例如小缝出流、高粘性低速流动问题）（2）通过壁面的大量沸腾（3）大的压力梯度导致的边界层分离（4）强体力（如旋转圆盘附近的流动、浮力驱动流动）（5）