壁面的案例
FLUENT中壁面函數 和 近壁面模型
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中的壁面函數與近壁面模型
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。
展開 一文說清楚Fluent壁面函數(Y+)和近壁面處理
Fluent壁面處理推薦設置</strong></p><p><br></p><p>總結：對于k-e模型和雷諾應力模型，可以選擇壁面函數，也可以設置近壁面處理；</p><p>對于k-ω模型和Spalart-Allmaras，默認方式就是y+不敏感的近壁面處理方式，不需要進行任何設置。</p><p> </p><p>大家選擇壁面函數時，推薦使用以下設置：</p><p><br></p><p>1) 對于基于e方程的模型，直接使用Menter-Lechner(ML- e)或者Enhanced Wall Treatment。盡量不使用壁面函數。</p><p><br></p><p>2) 對于e方程模型，如果必須使用壁面函數，那就選擇scalable wall functions</p><p><br></p><p>3) 對于k-ω模型，使用默認的y+不敏感的壁面處理方式。實際上所有基于ω方程的湍流模型都是如此，不需要進行任何壁面函數設置。</p><p><br></p><p>4) 對于Spalart-Allmaras模型，使用默認的y+不敏感的壁面處理方式，也不需要進行任何壁面函數設置。</p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p>為了方便大家學習交流，我創建了QQ群：群一人數已滿員，可加二群：876525686，大家可以在其中討論相關的問題，同時我會將所有文章的源文件都放到QQ群中，還會放一些其它的學習文件。歡迎大家加入。</p><p><br></p><p><br></p><p><br></p>
展開 CFD理論|壁面函數
導讀：緊接上文《CFD理論|流動邊界層》，介紹壁面函數。
在高Re（雷諾數）運動過程中，湍流模型只針對充分發展的湍流才有效，而在近壁面處，由于邊界層的存在，流動發展不充分，湍流發展并不充分，此時湍流模型在該區域并不適用，必須采用特殊的處理方法解決近壁面流動問題。——壁面函數。
壁面邊界層
這里的壁面邊界層主要指的是 《CFD理論|流動邊界層》中介紹邊界層的內層——粘性底層、過渡層、對數律層。
對于壁面區不同層的高度及速度可以用沿著壁面法向的無量綱高度y+和無量綱速度u+表示：
其中u表示流體的時均速度，ut 表示壁面摩擦速度:
tw, 是壁面切應力， y是壁面的垂直距離。
y+可以用來判斷流體區域處在哪個區域，每個區域的流動都有對應的半經驗公式。
在y+<5時，區域處在粘性底層，速度呈線性分布，u+=y+ ;
在 60<y+<300時，流動處于對數律層，此時速度沿壁面法線法相呈對數律分布， y+=2.5lny+。
壁面函數與近壁模型
在處理壁面區流動時，有兩種方法：
其一是 壁面函數法，實際上就是利用上述的半經驗公式，將壁面區的無流量與湍流核心區的未知量直接聯系起來。壁面函數法需要與高雷諾數（Re） k-e模型配合使用。
壁面函數法的本質就是在湍流核心區采用湍流模型，在近壁面區采用壁面函數法。
其二是近壁模型，如一些低雷諾數模型、 k-w湍流模型就是一種典型的近壁面湍流模型，這種模型就是直接通過修改湍流模型使其能夠求解近壁粘性影響區域。
壁面函數類型
Fluent提供以下幾種壁面函數類型：
優點
缺點
標準壁面函數
計算量小，精確度高
對于低雷諾數問題。
展開 
四十六、Fluent壁面函數的選取依據
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 湍流模型和壁面函數總結
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 CFD計算為什么需要壁面函數？
不論是速度場、溫度場還是其他變量，在壁面附近的梯度都變化非常大，而壁面的附近梯度的準確計算對剪切力、換熱量等梯度相關的量的計算至關重要。比如，在有壁面限制的速度場中，根據壁面無滑移條件，壁面速度為0，隨著離壁面距離增大，速度逐漸增加到主流速度。其中越靠近壁面，速度的變化梯度越大，因此在壁面附近需要相當稠密的網格才能準確的捕捉到這些梯度。
但是當壁面附近網格非常稠密時，就會導致收斂性較差的問題。如圖二維機翼外流場網格，表面附近由于網格厚度很薄，就會導致出現非常大的長寬比問
題，如果網格扭曲度再增大，那么網格的質量就會變得較差，而求解器面對這些質量差的網格便容易出現求解過程不穩定、收斂性變差的問題。同時網格數量急劇增加，求解時間也相應增加。
對于有限體積網格，存儲在網格中心點的變量之間的變化是線性的，因此如前所述，若要對壁面附近的變量準確捕捉，需要網格非常密才有可能。為解決這些問題，可在近壁面處采用較大的網格，而使網格中心到壁面變化用非線性變化函數來模擬，該非線性變化函數也稱為壁面函數。
既然要用壁面函數來模擬近壁面行為，那么近壁面行為實際如何表現的呢？下圖為實驗及DNS模擬得到的數據，顯示了近壁面處無量綱流速的變化情況。這里說一下y+及U＋的含義，y+為與壁面間的無量綱垂向距離，U+為無量綱切向速度，其中摩擦速度μΤ為基于壁面摩擦力得到的參考速度。
一般把近壁面區域分為三個區域，分別為Viscous Sub-layer、Buffer layer、Log-law區域。藍線和綠線分別為標準壁面函數。
展開 四十五、壁面函數理論及y+的確定
前言
什么叫做壁面函數，為什么引入壁面函數的概念??
因為流體無論流動，還是傳熱、傳質都存在邊界層。而之所以有壁面函數這個東西，根源就在于邊界層理論。
1. 邊界層理論
大家都知道什么是邊界層理論，我們想要理解壁面函數，就必須搞清楚邊界層理論的產生對數值計算帶來了什么影響？？？。
邊界層分為速度邊界層、熱邊界層和濃度邊界層。
速度邊界層：當具有粘性的流體，經過壁面附近，流速下降，直接貼附于壁面的流體靜止不動的一個薄層。
熱邊界層：指黏性流體流動壁面附近形成的以溫度劇變為特征的流體薄層。
熱邊界層厚度：
其中δ表示速度邊界層的厚度，δt表示熱邊界層的厚度
濃度邊界層：某組分在流體中的濃度與固體壁面的濃度存在差異，則在壁面垂直方向上的流體內部將存在濃度梯度的流體薄層。
濃度邊界層厚度
其中δ表示速度邊界層的厚度，δc表示熱邊界層的厚度，
2. 近壁面細節捕獲
這三種邊界層都有一個共同的特點，那就是某個物理量A發生劇變，在邊界層內產生非常大的梯度，且越靠近邊界層梯度越大。而在邊界層外，物理量A與主流中的物理量A值幾乎相等，不存在梯度。
為了獲得更加精確的計算結果，必須對邊界層內的物理量梯度進行非常細節的捕獲，如果捕獲呢？？我們首先冒出來的想法---網格加密
邊界層網格加密是一個方式，將邊界層網格畫的非常密，越靠近邊界層網格越密，這樣可以捕獲更多的細節，同時計算也會更加準確。
展開 四十七、Fluent近壁面處理
Fluent壁面處理推薦設置</strong></p><p><br></p><p>總結：對于k-e模型和雷諾應力模型，可以選擇壁面函數，也可以設置近壁面處理；</p><p>對于k-ω模型和Spalart-Allmaras，默認方式就是y+不敏感的近壁面處理方式，不需要進行任何設置。</p><p> </p><p>大家選擇壁面函數時，推薦使用以下設置：</p><p><br></p><p>1) 對于基于e方程的模型，直接使用Menter-Lechner(ML- e)或者Enhanced Wall Treatment。盡量不使用壁面函數。</p><p><br></p><p>2) 對于e方程模型，如果必須使用壁面函數，那就選擇scalable wall functions</p><p><br></p><p>3) 對于k-ω模型，使用默認的y+不敏感的壁面處理方式。實際上所有基于ω方程的湍流模型都是如此，不需要進行任何壁面函數設置。</p><p><br></p><p>4) 對于Spalart-Allmaras模型，使用默認的y+不敏感的壁面處理方式，也不需要進行任何壁面函數設置。</p><p> </p><p><br></p><p><br></p><p><strong>點贊+轉發+在看，讓更多的人看到這篇文章，是我更新的動力，大家多多支持啊。</strong></p><p><br></p><p><br></p><p>為了方便大家學習交流，我創建了QQ群：群一人數已滿員，可加二群：876525686，大家可以在其中討論相關的問題，同時我會將所有文章的源文件都放到QQ群中，還會放一些其它的學習文件。歡迎大家加入。</p><p><br></p><p><br></p>
展開 XFlow的邊界條件和壁面函數淺談
為了更真實地分析流動細節，XFlow提供了5種模式的壁面處理，如下圖所示。需要特別說明的是，為了提高壁面附近流動的求解精度，XFlow的高級壁面模型統一采用非平衡壁面函數形式對壁面進行建模，處理粘性區與對數區間的連續混合區。
對于高Re數的流動，湍流和層流的壁面處理主要有兩種邊界處理方式：一是采用壁面函數進行插值的方式，計算出壁面邊界層區域相對于邊界層外充分發展的區域的流動物理變量的值；二是通過加密邊界層網格進行處理的方式，這種辦法對于超高速/流動分析等工況非常有效，但缺點也顯而易見，即大幅增加計算量和計算時間，對硬件的要求非常高，從這方面來講，壁面函數可能是操作性更強的一種辦法。
再細說一下幾種壁面處理模式的區別。XFlow其實只有4種壁面模型。
1、 Automatic處理模式會自動選擇Enhanced Wall-function模型；
2、 Resolved沒有任何壁面處理，不考慮壁面附近流體運動的細節；
3、 Enhanced Wall-function模型是一種加強的壁面處理函數，壁面附近流動不考慮壓力梯度的影響；
4、 Non-Equilibrium enhanced Wall-function是一種非平衡強化壁面函數，在求解邊界層物理量時會考慮局部壓力梯度的影響；
5、 Free-slip是一種自由滑移邊界條件，即流體可以在壁面上自由滑動，壁面與流體之間不存在剪應力，這種壁面比較適合微觀的復雜流動分析。
除了Resolved和Free-slip兩種模型外，其他兩種模型需要指定壁面的粗糙度roughness，這里的粗糙度非實際的粗糙度量值大小，比如Ra0.8，而是一個無量綱量，它是以仿真計算時壁面的求解格子尺度為參考長度進行計算的，其值在0~1之間。
展開 CFD理論|溫度壁面函數（1）
導讀：介紹溫度壁面函數，為什么需要溫度壁面函數，如果去構建？
為什么需要？
在一個有墻壁的流動中，壁面處流動速度為零，溫度為壁溫，可以得到速度和溫度分布，如下圖所示。
當靠近壁面時，速度及溫度的梯度越來越大，這些梯度的大小最終決定流體切應力和傳熱，因此在有限體積法中，為了保證求解精度，靠近壁面的網格需要越來越小。這里要指出一點的是：與自由流動相比，無滑移的壁面邊界條件（壁面速度為0）可能會使壁面溫度更高或者更低。那么溫度壁面函數的作用是什么？在有限體積法二階精度算法中，靠近壁面網格熟練過的變化是分段線性的（Piecewise-linear），意味著在靠近壁面時，需要更薄更多的網格來捕捉越來越大的溫度梯度，并且網格的長寬比也會因此變大，不利于求解的穩定性。為了改善這種情況，需要構建靠近壁面處溫度的非線性變化（Non-linear），就可以用一個大的網格覆蓋壁面，同時也能夠保證計算精度。這就是溫度壁面函數的作用。這與速度壁面函數的目的是完全一致的，利用非線性變化精簡壁面處的網格。下一個問題是非線性變化是什么？如何去構建？
如何構建？
首先通過直接數值模擬（DNS）得到靠近壁面溫度分布的真實曲線，如左圖所示，與速度分布曲線相比，其輪廓基本相似。
這意味著可以通過類似的方法來計算溫度。那么如何用函數表示這些數據呢？
展開 
壁面傳熱建模的兩種方法
今天主要給大家帶來 Fluent 壁面傳熱建模的兩種方法：網格壁面（Meshed wall）模型、薄壁（Thin wall）模型。
1壁面傳熱的兩種方法
針對壁面傳熱Ansys Fluent提供了兩種方法，分別是網格壁面模型、薄壁模型。網格壁面模型（Meshed wall Model）針對的情況是壁面能夠或者說比較容易利用網格劃分出來；薄壁模型（Thin wall Model）用于針對壁面非常薄，網格比較難畫出來。下面我們開始進的介紹。
1.1網格壁面模型（Meshed wall Model）
圖1 網格壁面模型
能量方程是在表示 wall 的實體區域中求解的。
壁面的厚度必須要用網格劃分出來。
網格壁面模型是最準確的方法，但需要更多的網格工作。
總是使用耦合的熱邊界條件，因為 wall 的兩側都有網格單元。
在能量方程中直接考慮壁熱阻；計算了貫穿厚度的溫度分布。計算了雙向熱傳導。
1.2薄壁模型（Thin wall model）
對墻壁的厚度進行人工建模（在 wall 邊界面板上指定）。
僅對內壁使用耦合熱邊界條件。
圖2 薄壁模型
使用人工壁厚和材料類型計算的壁面（wall）熱阻。假設貫穿厚度的溫度分布是線性的。僅在wall法線方向上計算傳導
1.3壁面模型的溫度定義
薄壁模型僅應用法向傳導（沒有平面內傳導），并且沒有創建實際的單元。
在外層應用壁熱邊界條件。
圖3
1.4壁面傳熱的殼傳熱模型
殼體傳導（shell conduction）選項用于實現平面內傳導計算（）。
創建了額外的傳導單元，但不能顯示，UDF 也不能訪問。
展開 湍流建模|03近壁面建模-上
由此可以看出，近壁流動不受外側流的影響，僅受壁面剪切力、粘性和壁面距離的影響。因此可以假設可以在壁面附近獲得統一的速度分布行為，與是否存在平板明渠流、雷諾數等無關。
下一個目標就是在無量綱變量基礎上找到統一的流動行為。
基于VirtualFlow的壁面過冷沸騰數值模擬及結果對比
壁面過冷沸騰是在特定的熱力學條件下，發生在固體壁面附近的沸騰現象。在核反應堆運行過程中，壁面過冷沸騰通常出現在熱流密度較高、熱流體與壁面之間的傳熱溫差較大的區域。壁面過冷沸騰的發生會導致壁面附近流體溫度驟降，產生大量汽泡。這些汽泡可能會迅速成長并逸出到主流流體中，從而導致流體的熱力學狀態和流動特性發生顯著變化。這些變化可能會對反應堆的運行產生重要影響。
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壁面沸騰物理現象及不同流型
為了確保核反應堆的安全和高效運行，在反應堆設計和運行過程中，需要對壁面過冷沸騰進行充分的評估和控制，以避免其對反應堆性能和安全產生不利影響。
均勻加熱的平面壁與垂直流接觸的沸騰現象
本算例使用流體仿真軟件VirtualFlow對流經管道的氟利昂R12的壁面沸騰過程進行模擬，與DEBORA試驗數據及NEPTUNE_CFD、ANSYS CFX模擬結果進行對比，驗證VirtualFlow軟件模擬計算壁面沸騰的可靠性。
模型介紹
該算例模擬了DEBORA試驗（參考文獻[1]）的過冷沸騰現象。
流經管道的氟利昂R12的壁面沸騰過程模型如圖1所示：進入垂直管道的湍流，直徑為0.0192米；流體從底部進入，其中入口段（1m）為絕熱；流體在流出絕熱出口段（0.5m）之前，將壁面熱通量邊界條件施加到管道中間的3.5m部分。
展開 邊界層理論及壁面方法
STAR-CCM+壁面模型
根據壁面y+值及邊界層網格分布，發展出了不同的壁面模型，如圖3所示。
圖3 不同y+壁面算法示意
STAR-CCM+壁面模型的特點是自動及全面，如圖4所示，具體應用技巧如下：
1) Low y+ walltreatment：y+值小于1, 一般推薦25+層，其中3+層位于粘性底層內，5+層位于過渡區，5+層位于對數區內，直接求解近壁面速度分布，主要用于外氣動計算中的流動分離，轉捩現象；
2) High y+wall treatment：y+值位于30至150之間，5層左右邊界層，主要用于無流動分離的情況；
3) 默認選項為All y+ wall treatment，顧名思義，不需要用戶選擇，可以自動根據來流速度，邊界網格計算y+值，并自動切換壁面算法，使用時注意y+<5或30<y+<150，盡量避開過渡區。
圖4 STAR-CCM+壁面模型
錯誤的試用壁面模型可能使計算結果嚴重失真，圖5為一管道流動案例，分別采用y+=1（紅色實線），y+=20（藍色實線）獲得的計算結果與DNS（Direct Numerical Simulation，可認為真值，圖中圓點）結果對比，可以看到，在橫坐標y+值小于200的區間內，y+=1的U+與軟流粘性系數計算結果與DNS結果吻合度極高，而藍色的y+=20位于過渡區內，現有的壁面模型處理該區間都有缺陷，因此在計算中應盡量規避。
圖5 不同y+模型計算結果對比
4.
展開 