ansys 壁面函數
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-03-07
ansys 壁面函數的實例教程
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 增強壁面處理使用傳統的雙層區域模型（整個計算域被劃分為粘性影響區域和充分湍流區域）給邊界層分區，然后給近壁單元指定湍流耗散率e和湍流粘度。增強型壁面函數的特點是用一個單一的壁面函數平滑地混合了對數層公式與層流公式，這樣它的計算范圍擴展到了全部近壁區域。
增強壁面函數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）對于SA模型，這一選項不可用。然而，這一模型對于壁面函數（y*>15）及粘性子層網格（y*<2）是一致的。處于中間的網格應當被避免 ，因為會降低計算精度。換句話說，對于SA模型，要么y*>15，要么y*<2
壁面函數方法的局限
對于大多數壁面邊界流動問題，標準壁面函數能給出合理的預測。非平衡壁面函數考慮了壓力梯度效應，擴展了標準壁面函數的功能。但是一些流動問題不適合使用壁面函數，否則可能導致不合理的解。如以下一些情況：
（1）低雷諾數流動或近壁面效應（例如小縫出流、高粘性低速流動問題）
（2）通過壁面的大量沸騰
（3）大的壓力梯度導致的邊界層分離
（4）強體力（如旋轉圓盤附近的流動、浮力驅動流動）
（5）近壁區域高度三維流動（如ekman螺旋流動、高度歪斜的3D邊界層）
若模型中出現了以上的情況，則必須使用近壁模型。ANSYS FLUENT中提供了增強壁面處理以應對這些情況。這一方法能夠用于K-epsilon模型及RSM模型。
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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 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 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。
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<h1>由于文章四十五、四十六及四十七都是Fluent壁面函數的相關內容，為了便于查看，這篇文章將上述三篇文章的內容整合到一起，文章內容沒有任何增刪。</h1><h1><br></h1><h1><br></h1><h1 class="ql-align-center">壁面函數理論及y+的確定</h1><p><strong>0. 前言</strong></p><p><br></p><p>什么叫做壁面函數
<h2><strong>1. 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
0. 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
Discovery Live可以順利計算內外流場，但設置旋轉壁面后就無法計算了，這是什么原因呢？顯卡8G，GPU也僅占用了30%，（這就很難受了，只能計算設定好進出口的流場，而通過旋轉機械產生的流場就計算不了，那設計旋轉壁面干嘛的？無法進行旋轉機械流場仿真嗎？）
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。
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
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的輸運方程。這些模型的主要區別如下：
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
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。
XFlow的邊界條件和壁面函數淺談
原創：CAE從業者，如需轉載引用，請注明來源CAE從業者公眾號。
XFlow做為有別于傳統CFD的新一代流體動力學分析軟件，可為我們多種復雜工況提供解決方案，做為后起之秀的擔當，它提供了多種模型的復雜邊界條件和高級壁面函數處理邊界層問題，在一些功能的集成方面超越了傳統CFD軟件。
拿2019x版本進行舉例。如下圖所示，XFlow除了提供通常的壁面
