溫度壁面函數(shù)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-08-06
溫度壁面函數(shù)的視頻教程
fluent傳熱壁面設(shè)置 定溫度 對流換熱 輻射 壁面厚度 shell conduction
講述了fluent傳熱壁面設(shè)置參 定溫度 對流換熱 輻射 壁面厚度 shell conduction等參數(shù)設(shè)置及含義
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#310鋼板噴霧冷卻溫度變化及壁面液膜分布FLUENT仿真手把手零基礎(chǔ)入門進(jìn)階有聲解說教程
模擬分析在一定水流量和氣壓下，鋼板的冷卻時間、溫度分布均勻度（溫度分布均勻度包括：在同一時刻，鋼板各位置的溫度分布；同一位置，在一定時間內(nèi)的溫度分布） 網(wǎng)格情況 鋼板噴霧冷卻主要設(shè)置可參見本人的推送文章“鋼板噴霧冷卻FLUENT仿真操作過程”，該文中已包括主要操作步驟，良心文章，可以參考。若需要系統(tǒng)手把手教學(xué)，可考慮本套視頻教程。
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溫度壁面函數(shù)的實例教程
導(dǎo)讀：介紹溫度壁面函數(shù)，為什么需要溫度壁面函數(shù)，如果去構(gòu)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(dāng)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(yīng)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(wǎng)格需要越來越小。這里要指出一點(diǎn)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(shù)的作用是什么？在有限體積法二階精度算法中，靠近壁面網(wǎng)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(wǎng)格來捕捉越來越大的溫度梯度，并且網(wǎng)格的長寬比也會因此變大，不利于求解的穩(wěn)定性。為了改善這種情況，需要構(gòu)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(wǎng)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(shù)的作用。這與速度壁面函數(shù)的目的是完全一致的，利用非線性變化精簡壁面處的網(wǎng)格。下一個問題是非線性變化是什么？如何去構(gòu)建？
如何構(gòu)建？
首先通過直接數(shù)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(shù)表示這些數(shù)據(jù)呢？
展開 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(shù)以供選擇，分別是：</p><p>Standard Wall Functions 標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)</p><p>Scalable Wall Functions 擴(kuò)展壁面函數(shù)</p><p>Non-Equilibrium Wall Functions 非平衡壁面函數(shù)</p><p>User-Defined Wall Functions 自定義壁面函數(shù)</p><p><br></p><p><br></p><p><strong>2. 標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)</strong></p><p><br></p><p><strong>2.1 Standard Wall Functions</strong></p><p><br></p><p><br></p><p>標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)是由Launder and Spalding提出的，廣泛應(yīng)用于工業(yè)流體流動，是Fluent默認(rèn)的壁面函數(shù)。但是我們計算時盡量不要使用這種壁面函數(shù)。</p><p> </p><p>標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)使用典型的對數(shù)律：</p><p> </p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy9hleicyYmC1hcuSC7hJ2Z4Vz9kbj1eqNiawFxdavx5tMWw6zI92RWVsibVtnCJD4gtXVZMFWASzDpSw/640?
展開 壁面的存在對湍流流動有顯著的影響。在靠近壁面區(qū)域的外側(cè)，由于平均速度的大梯度，湍流動能的產(chǎn)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(shù)值解的保真度有很大的影響?？傊?，在近壁面區(qū)域，解變量具有較大的梯度，動量和其他標(biāo)量傳輸?shù)陌l(fā)生最為劇烈。因此，近壁區(qū)域流動的準(zhǔn)確表征決定了壁面湍流流動預(yù)測的成功與否。
大量實驗表明，近壁區(qū)域可大致細(xì)分為三層。在最內(nèi)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(zhì)中起主導(dǎo)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(qū)域，分子粘度和湍流的影響同樣重要。圖4.13說明了近壁區(qū)域的這些細(xì)分，以半對數(shù)坐標(biāo)繪制。
一般來說，有兩種方法來模擬近壁區(qū)域。第一種方法是，不求解粘性影響的內(nèi)部區(qū)域(粘性底層和過度層)。用半經(jīng)驗公式“壁面函數(shù)”來連接壁面與完全湍流區(qū)之間的粘滯影響區(qū)，這種方法稱為“壁面函數(shù)法”。壁面函數(shù)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(jìn)行了修改，使粘滯影響區(qū)域能夠通過網(wǎng)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(shù)的主要缺點(diǎn)是數(shù)值結(jié)果在網(wǎng)格沿壁面法線方向細(xì)化后惡化。小于15的y+值會逐漸導(dǎo)致壁面剪切應(yīng)力和壁面傳熱誤差無界。ANSYS Fluent已采取措施，提供更先進(jìn)的壁面格式，允許網(wǎng)格細(xì)化，而不會產(chǎn)生惡化的結(jié)果。這種與y+無關(guān)的公式是所有基于w方程的湍流模型的默認(rèn)公式。對于基于ε方程的模型，mentert - lechner和增強(qiáng)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(zhì)量的壁面邊界層數(shù)值結(jié)果。
展開 溫度邊界層中的熱導(dǎo)子層厚度與動量邊界層中的層流底層厚度通常都不相同，并且隨流體介質(zhì)種類變化而變化。例如，高普朗特數(shù)流體（油）的熱導(dǎo)子層厚度比其粘性底層厚度小很多；對于低普朗特數(shù)的流體（液態(tài)金屬）相反，熱導(dǎo)子層厚度比粘性底層厚度大很多。
標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)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(shù)模型。
2、Scalable wall functions
該壁面函數(shù)是14.0新加的，以前的版本中沒有。也是CFX軟件中默認(rèn)的湍流壁面函數(shù)。
該壁面函數(shù)能避免在y*<15時計算結(jié)果惡化，該壁面函數(shù)對于任意細(xì)化的網(wǎng)格，能給出一致的解。當(dāng)網(wǎng)格粗化使y*>11時，該壁面函數(shù)的表現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)一致。
scalable壁面函數(shù)的目的在于聯(lián)合使用標(biāo)準(zhǔn)壁面方法以強(qiáng)迫使用對數(shù)律。該功能是通過使用限制器y*=max(y*,y*limit)來實現(xiàn)的，其中y*limit=11.06。
3、Non-equilibrium wall functions
非平衡壁面函數(shù)的特點(diǎn)：（1）用于平均速度的launder及spalding的對數(shù)律對于壓力梯度效應(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)則與標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理方式相同。
非平衡壁面函數(shù)考慮了壓力梯度效應(yīng)，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(guān)且變化迅速的復(fù)雜流動問題，推薦使用些壁面函數(shù)。但是非平衡壁面函數(shù)不適合于低雷諾流動問題。
非平衡壁面函數(shù)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(fù)雜流動尤其是低雷諾數(shù)流動問題很適合。
展開 如果上述幾點(diǎn)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(qū)域中使用足夠密的網(wǎng)格。針對這種情況，ANSYS Fluent提供了增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)（Standard Wall Functions）是fluent默認(rèn)的選項，適用于高雷諾數(shù)流動，計算開銷小，在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)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(shù)（Scalable Wall Functions）適合于高雷諾數(shù)流動，避免了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)在y+<11時，結(jié)果惡化，該壁面函數(shù)為任意細(xì)化的網(wǎng)格產(chǎn)生一致的結(jié)果，對于較粗的網(wǎng)格，與標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的計算結(jié)果相同；
非平衡壁面函數(shù)（Non_Equilibrium Wall Functions）考慮了壓力梯度效應(yīng)，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(guān)且變化迅速的復(fù)雜流動問題，推薦使用非平衡壁面函數(shù)。但是非平衡壁面函數(shù)不適合低雷諾數(shù)問題。非平衡壁函數(shù)可用于K-ε 模型和雷諾應(yīng)力輸運(yùn)模型；
增強(qiáng)壁面處理（Enhanced Wall Treatment）k-ε方程是一個近壁面模型方法,結(jié)合了一個兩層的模型，適用于低雷諾數(shù)流動，可用于所有的ε-equation模型(二次RSM除外)。如果近壁網(wǎng)格足夠細(xì)，能夠求解粘性子層(通常第一個近壁節(jié)點(diǎn)位于y+=1)，那么增強(qiáng)的壁處理將與傳統(tǒng)的兩層區(qū)域模型相同。然而，近壁網(wǎng)格必須處處足夠細(xì)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。
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溫度壁面函數(shù)的最新內(nèi)容
<h1>由于文章四十五、四十六及四十七都是Fluent壁面函數(shù)的相關(guān)內(nèi)容，為了便于查看，這篇文章將上述三篇文章的內(nèi)容整合到一起，文章內(nèi)容沒有任何增刪。</h1><h1><br></h1><h1><br></h1><h1 class="ql-align-center">壁面函數(shù)理論及y+的確定</h1><p><strong>0. 前言</strong></p><p><br></p><p>什么叫做壁面函數(shù)
<h2><strong>1. Fluent壁面函數(shù)</strong></h2><p><br></p><p>前面介紹了壁面函數(shù)的由來及相關(guān)的理論，這里我們介紹Fluent中壁面函數(shù)的選取依據(jù)。牢記：使用壁面函數(shù)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(shù)分別是k-e模型和Reynolds Stress雷諾應(yīng)力模型，其他的湍流模型不必考慮壁面函數(shù)的問題
0. 前言
什么叫做壁面函數(shù)，為什么引入壁面函數(shù)的概念??
因為流體無論流動，還是傳熱、傳質(zhì)都存在邊界層。而之所以有壁面函數(shù)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(shù)，就必須搞清楚邊界層理論的產(chǎn)生對數(shù)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
對流換熱系數(shù)總是與參考溫度成對出現(xiàn)的，不能只說對流換熱系數(shù)而不說明參考溫度。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)(SWF)是一組半經(jīng)驗函數(shù)，用于描述近壁區(qū)域(邊界層)中的流動現(xiàn)象。
導(dǎo)讀：介紹溫度壁面函數(shù)，為什么需要溫度壁面函數(shù)，如果去構(gòu)建？
為什么需要？
導(dǎo)讀：緊接上文《CFD理論|流動邊界層》，介紹壁面函數(shù)。
在高Re（雷諾數(shù)）運(yùn)動過程中，湍流模型只針對充分發(fā)展的湍流才有效，而在近壁面處，由于邊界層的存在，流動發(fā)展不充分，湍流發(fā)展并不充分，此時湍流模型在該區(qū)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(shù)。
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(nèi)層——粘性底層
01—
湍流模型
standard, RNG, and realizable k - ε 模型，這三種模型的形式都很相似，都有k和ε的輸運(yùn)方程。這些模型的主要區(qū)別如下：
湍流粘度的計算方法
壁面的存在對湍流流動有顯著的影響。在靠近壁面區(qū)域的外側(cè)，由于平均速度的大梯度，湍流動能的產(chǎn)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(shù)值解的保真度有很大的影響。總之，在近壁面區(qū)域，解變量具有較大的梯度，動量和其他標(biāo)量傳輸?shù)陌l(fā)生最為劇烈。因此，近壁區(qū)域流動的準(zhǔn)確表征決定了壁面湍流流動預(yù)測的成功與否。
大量實驗表明，近壁區(qū)域可大致細(xì)分為三層。在最內(nèi)層，稱為“粘性底層”，流動幾乎是層流的
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(zhǔn)確計算對剪切力、換熱量等梯度相關(guān)的量的計算至關(guān)重要。比如，在有壁面限制的速度場中，根據(jù)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(dāng)稠密的網(wǎng)格才能準(zhǔn)確的捕捉到這些梯度。
但是當(dāng)壁面附近網(wǎng)格非常稠密時，就會導(dǎo)致收斂性較差的問題。
XFlow的邊界條件和壁面函數(shù)淺談
原創(chuàng)：CAE從業(yè)者，如需轉(zhuǎn)載引用，請注明來源CAE從業(yè)者公眾號。
XFlow做為有別于傳統(tǒng)CFD的新一代流體動力學(xué)分析軟件，可為我們多種復(fù)雜工況提供解決方案，做為后起之秀的擔(dān)當(dāng)，它提供了多種模型的復(fù)雜邊界條件和高級壁面函數(shù)處理邊界層問題，在一些功能的集成方面超越了傳統(tǒng)CFD軟件。
拿2019x版本進(jìn)行舉例。如下圖所示，XFlow除了提供通常的壁面
