壁面函數
關注創建者：CFD流 創建時間：2020-05-29
壁面函數的視頻教程
STARCCM+入門到精通系列教程
本課程為STRACCM+入門到精通系列教程，主要分為五個部分，十三個章節： 第一部分（1~2章節）：CFD及STARCCM+入門介紹，講解最基本、最常見的操作和知識，認識傳熱流動、邊界層、壁面函數Y+、STARCCM+仿真工作流程等知識，結合實例幫助大家快速入門，介紹imprint、meshing、interface、熱源定義、接觸熱阻、熱邊界條件等； 第二部分（3-4章節）：主要講解STARCCM
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四、仿真基本設置 設置計算模式為基于壓力的瞬態計算； 設置湍流模型為標準的k-ε湍流模型，使用標準壁面函數； 設置流體材料屬性，密度1200，粘度0.002； 設置上槳區和下槳區轉速為800r/min。
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壁面函數的實例教程
wx_fmt=png&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" width="100%"></p><p><br></p><p>Fluent提供了四種壁面函數以供選擇，分別是：</p><p>Standard Wall Functions 標準壁面函數</p><p>Scalable Wall Functions 擴展壁面函數</p><p>Non-Equilibrium Wall Functions 非平衡壁面函數</p><p>User-Defined Wall Functions 自定義壁面函數</p><p><br></p><p><br></p><p><strong>2. 標準壁面函數</strong></p><p><br></p><p><strong>2.1 Standard Wall Functions</strong></p><p><br></p><p><br></p><p>標準壁面函數是由Launder and Spalding提出的，廣泛應用于工業流體流動，是Fluent默認的壁面函數。但是我們計算時盡量不要使用這種壁面函數。</p><p> </p><p>標準壁面函數使用典型的對數律：</p><p> </p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy9hleicyYmC1hcuSC7hJ2Z4Vz9kbj1eqNiawFxdavx5tMWw6zI92RWVsibVtnCJD4gtXVZMFWASzDpSw/640?
展開 標準壁面函數用于以下模型：k-epsilon模型與Reynolds stress模型。這兩個模型均為高雷諾數模型。
2、Scalable wall functions
該壁面函數是14.0新加的，以前的版本中沒有。也是CFX軟件中默認的湍流壁面函數。
該壁面函數能避免在y*<15時計算結果惡化，該壁面函數對于任意細化的網格，能給出一致的解。當網格粗化使y*>11時，該壁面函數的表現與標準壁面函數一致。
scalable壁面函數的目的在于聯合使用標準壁面方法以強迫使用對數律。該功能是通過使用限制器y*=max(y*,y*limit)來實現的，其中y*limit=11.06。
3、Non-equilibrium wall functions
非平衡壁面函數的特點：（1）用于平均速度的launder及spalding的對數律對于壓力梯度效應敏感。（2）采用雙層概念以計算臨壁面單元的湍流動能。對于平均溫度及組分質量分數則與標準壁面函數處理方式相同。
非平衡壁面函數考慮了壓力梯度效應，因此對于涉及到分離、再附著、及撞擊等平均速度與壓力梯度相關且變化迅速的復雜流動問題，推薦使用些壁面函數。但是非平衡壁面函數不適合于低雷諾流動問題。
非平衡壁面函數適用于高雷諾流動問題，適用于以下湍流模型：
（1）K-epsilon模型；
（2）Reynolds stress transport模型。
4、Enhanced wall treatment
不依賴于壁面法則，對于復雜流動尤其是低雷諾數流動問題很適合。該方法要求近壁面網格很密，y+接近于1，比low-Reynolds number model要求的網格更密。
對于epsilon方程的近壁面處理結合了速度分布雙層模型和壁面增強處理函數。
展開 Fluent壁面函數</strong></h2><p><br></p><p>前面介紹了壁面函數的由來及相關的理論，這里我們介紹Fluent中壁面函數的選取依據。牢記：使用壁面函數的前提是y+>15</p><p><br></p><p>Fluent在兩種湍流模型中需要選擇壁面函數分別是k-e模型和Reynolds Stress雷諾應力模型，其他的湍流模型不必考慮壁面函數的問題，同時也不必考慮y+問題，我們后面會詳細說明。</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy9hleicyYmC1hcuSC7hJ2Z4Vym1VKqAWJHKA6K29QSMfIg0gaJKNxSuYF8HywORWCgbXNbcjG9sW5g/640?wx_fmt=png" width="337"></p><p><br></p><p>Fluent提供了四種壁面函數以供選擇，分別是：</p><p>Standard Wall Functions 標準壁面函數</p><p>Scalable Wall Functions 擴展壁面函數</p><p>Non-Equilibrium Wall Functions 非平衡壁面函數</p><p>User-Defined Wall Functions 自定義壁面函數</p><p><br></p><p><br></p><h2><strong>2.
展開 如果上述幾點在流動中占主要地位，那么你必須采用近壁模型方法，并在近壁區域中使用足夠密的網格。針對這種情況，ANSYS Fluent提供了增強的壁面處理（可用于k-ε和RSM模型）以及Menter-Lechner近壁處理（可用于k-ε模型）。
標準壁面函數（Standard Wall Functions）是fluent默認的選項，適用于高雷諾數流動，計算開銷小，在工業中有廣泛的應用，適合于壁面附近流動對所研究問題影響不大的情況，不適合大壓力梯度；
可放縮壁面函數（Scalable Wall Functions）適合于高雷諾數流動，避免了標準壁面函數在y+<11時，結果惡化，該壁面函數為任意細化的網格產生一致的結果，對于較粗的網格，與標準壁面函數的計算結果相同；
非平衡壁面函數（Non_Equilibrium Wall Functions）考慮了壓力梯度效應，因此，對于涉及到分離、再附著、及撞擊等平均速度與壓力梯度相關且變化迅速的復雜流動問題，推薦使用非平衡壁面函數。但是非平衡壁面函數不適合低雷諾數問題。非平衡壁函數可用于K-ε 模型和雷諾應力輸運模型；
增強壁面處理（Enhanced Wall Treatment）k-ε方程是一個近壁面模型方法,結合了一個兩層的模型，適用于低雷諾數流動，可用于所有的ε-equation模型(二次RSM除外)。如果近壁網格足夠細，能夠求解粘性子層(通常第一個近壁節點位于y+=1)，那么增強的壁處理將與傳統的兩層區域模型相同。然而，近壁網格必須處處足夠細的限制可能會帶來太大的計算需求；
Menter-Lechner處理,這是一個對y +不敏感的壁面處理。
展開 壁面的存在對湍流流動有顯著的影響。在靠近壁面區域的外側，由于平均速度的大梯度，湍流動能的產生使湍流迅速增大。由于壁面是平均渦度和湍流的主要來源，近壁面模型對數值解的保真度有很大的影響。總之，在近壁面區域，解變量具有較大的梯度，動量和其他標量傳輸的發生最為劇烈。因此，近壁區域流動的準確表征決定了壁面湍流流動預測的成功與否。
大量實驗表明，近壁區域可大致細分為三層。在最內層，稱為“粘性底層”，流動幾乎是層流的，(分子)粘度在動量和傳熱傳質中起主導作用。外層被稱為完全湍流層，湍流起著主要作用。在粘性底層和完全湍流層之間存在一個過渡區域，分子粘度和湍流的影響同樣重要。圖4.13說明了近壁區域的這些細分，以半對數坐標繪制。
一般來說，有兩種方法來模擬近壁區域。第一種方法是，不求解粘性影響的內部區域(粘性底層和過度層)。用半經驗公式“壁面函數”來連接壁面與完全湍流區之間的粘滯影響區，這種方法稱為“壁面函數法”。壁面函數的使用避免了修改湍流模型以考慮壁面存在。第二種方法是，對湍流模型進行了修改，使粘滯影響區域能夠通過網格一直解析到壁面，包括粘滯底層，這種方法稱為“近壁模型”方法。這兩種方法如圖4.14所示
除scalable wall function外，所有壁面函數的主要缺點是數值結果在網格沿壁面法線方向細化后惡化。小于15的y+值會逐漸導致壁面剪切應力和壁面傳熱誤差無界。ANSYS Fluent已采取措施，提供更先進的壁面格式，允許網格細化，而不會產生惡化的結果。這種與y+無關的公式是所有基于w方程的湍流模型的默認公式。對于基于ε方程的模型，mentert - lechner和增強型壁處理(Enhanced Wall Treatment, EWT)具有相同的目的。
只有邊界層的整體分辨率足夠高，才能得到高質量的壁面邊界層數值結果。
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4. 自動化、Web UI 與 PyFluent 生態持續強化。
湍流模型采用標準k-ε模型，壁面函數為標準壁面函數，固壁面設置為無滑移壁面。濾袋表面設定為多孔跳躍邊界。
三、計算參數
3.1計算模型
湍流模型采用標準k-e模型，湍流流場的計算采用有限體積法離散控制方程，算法采用SIMPLE算法，對流項采用一階迎風格式，近壁面采用壁面函數法處理。假定流體是不可壓縮的，作定常流動，整個模擬過程為等溫過程。
3.2邊界條件及計算參數
入口邊界條件設置為速度入口，出口邊界條件設為壓力出口，壁面采用無滑移邊界條件。
文丘里混合器的混合性流場模擬8個月前
湍流模型采用標準k-ε模型，壁面函數為標準壁面函數，固壁面設置為無滑移壁面。采用離散相模型進行計算，噴槍使用錐狀噴射進行模擬，噴射角度為90°，噴射距離為5m。
某廠脫硫塔整體系統阻力分析9個月前
計算參數及邊界設置
塔入口煙氣壓力1500Pa；塔入口煙氣溫度155℃；塔入口煙氣量716840℃
根據上述表格數據設置邊界參數如下：
入口：速度入口（velocity-inlet），20.13m/s
出口：壓力出口（pressure-outlet），0Pa
壁面：無滑移邊界條件，標準壁面函數，對流散熱系數5W/m2·K。
冷卻器進口采用速度入口邊界條件，需要計算其湍流參數，包括湍流強度I和水力直徑d，出口采用壓力出口，殼體及導流板等視為絕熱壁面，對于壁面的邊界層區域采用標準壁面函數。
煙氣出口outlet-1和輸灰出口outlet-2邊界條件為壓力出口（pressure-outlet），壓力值為0 Pa；
濾袋設置為多孔介質（porous zone）；
本次模擬湍流模型采用標準k-e模型，湍流流場的計算采用有限體積法離散控制方程，算法采用Simple算法，對流項采用一階迎風格式，近壁面采用壁面函數法處理。假定流體是不可壓縮的，作定常流動。
某鋼廠180平脫硫除塵器流場分析9個月前
湍流模型采用標準k-ε模型，壁面函數為標準壁面函數，固壁面設置為無滑移壁面。濾袋表面設定為多孔跳躍邊界。
湍流模型采用標準k-ε模型，壁面函數為標準壁面函數，固壁面設置為無滑移壁面，塔體中三層除霧器設置為多孔介質邊界。
四、結果計算
（1）37Hz（350000m3/h）
經模擬，除塵除霧塔內煙氣流動狀態如下圖所示：
圖2 袋除塵器網格示意
3.2 邊界條件
本設備運行時，工況煙氣量為155000m3/h，煙氣溫度為220℃，進口邊界條件為速度進口，進口速度為16.03m/s；出口壓力出口，出口壓力設定為0Pa，湍流模型采用標準k-ε模型，壁面函數為標準壁面函數，固壁面設置為無滑移壁面，濾袋設定為多孔介質邊界。
