Fluent中的壁面函数与近壁面模型详解

壁面的存在对湍流流动有显著的影响。在靠近壁面区域的外侧，由于平均速度的大梯度，湍流动能的产生使湍流迅速增大。由于壁面是平均涡度和湍流的主要来源，近壁面模型对数值解的保真度有很大的影响。总之，在近壁面区域，解变量具有较大的梯度，动量和其他标量传输的发生最为剧烈。因此，近壁区域流动的准确表征决定了壁面湍流流动预测的成功与否。

大量实验表明，近壁区域可大致细分为三层。在最内层，称为“粘性底层”，流动几乎是层流的，(分子)粘度在动量和传热传质中起主导作用。外层被称为完全湍流层，湍流起着主要作用。在粘性底层和完全湍流层之间存在一个过渡区域，分子粘度和湍流的影响同样重要。图4.13说明了近壁区域的这些细分，以半对数坐标绘制。

一般来说，有两种方法来模拟近壁区域。第一种方法是，不求解粘性影响的内部区域(粘性底层和过度层)。

用半经验公式“壁面函数”来连接壁面与完全湍流区之间的粘滞影响区，这种方法称为“壁面函数法”。壁面函数的使用避免了修改湍流模型以考虑壁面存在。

第二种方法是，对湍流模型进行了修改，使粘滞影响区域能够通过网格一直解析到壁面，包括粘滞底层，这种方法称为“近壁模型”方法。这两种方法如图4.14所示

除scalable wall function外，所有壁面函数的主要缺点是数值结果在网格沿壁面法线方向细化后恶化。小于15的y+值会逐渐导致壁面剪切应力和壁面传热误差无界。

ANSYS Fluent已采取措施，提供更先进的壁面格式，允许网格细化，而不会产生恶化的结果。这种与y+无关的公式是所有基于w方程的湍流模型的默认公式。对于基于ε方程的模型，mentert - lechner和增强型壁处理(Enhanced Wall Treatment, EWT)具有相同的目的。

只有边界层的整体分辨率足够高，才能得到高质量的壁面边界层数值结果。这个需求实际上比实现特定的y+值更重要，准确地覆盖边界层的最小单元数是10个左右，但最好是20个。

还应注意的是，边界层分辨率的提高往往可以增加数值的稳健性，因为它只需要在壁面法向网格细分。与精度提升相伴随的是计算开销的增大。非结构网格，建议在壁面附近生成10-20层或更多层的棱柱层，以准确预测壁面边界层。

棱柱层的厚度应确保实际覆盖边界层的节点在15个左右或更多。这可以通过观察湍流粘度来验证，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(最大值的两倍给出边界层的边缘)。棱柱层比边界层厚是必要的，否则棱柱层就有限制边界层生长的危险。

建议:

对于ε-方程，使用Menter-Lechner (ML-)或增强型壁处理(EWT-)模型

如果壁面函数有助于ε方程，则可以使用scalable wall function

对基于ε-equation方程的模型,使用默认的y +不敏感壁面处理方程

对于Spalart-Allmaras模型，使用默认的y+不敏感的壁面处理。

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