Fluent壁面溫度的案例
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
wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" width="214"></p><p><br></p><p> </p><p>以上流程化的東西都可以通過編程實現</p><p><br></p><p>進行了一定的驗證后發現，似乎是由于Fluent基于有限體積法，因此上述求出的第一層網格高度y實際上只是網格中心到壁面的距離，真正的第一層網格高度應該為此值的2倍。（自己理解，歡迎私信批評指正）下面的程序已進行修正。</p><p><br></p><p><br></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy9NYU4E68hy6p4ZtKP3icNRZ3durTRuJbicGUuMrXxJsDA3yCgZFbGrF9sicOwicWLVUaPVvCnAxrWvXg/640?wx_fmt=png&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" width="100%"></p><h1><br></h1><h1><br></h1><h1 class="ql-align-center">Fluent壁面函數的選取依據</h1><p><strong>1. Fluent壁面函數</strong></p><p><br></p><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。
展開 FLUENT中壁面函數 和 近壁面模型
一些建議：（1）對于epsilon方程，使用enhanced壁面函數。（2）若壁面函數有助于epsilon方程，則可以使用scalable壁面函數。（3）對于基于w方程的模型，使用默認的增強壁面函數。（4）SA模型，使用增強壁面處理。
1、Standard wall functions
ANSYS FLUENT中的標準壁面函數是基于launder與spalding的工作，在工業上有廣泛的應用。
對于標準壁面函數法，在劃分網格時，把第一個內節點P布置到對數分布律成立的范圍內，即配置到旺盛湍流區域。通常，在y+>30~60的區域，平均速度滿足對數率分布。在FLUENT程序中，這一條件改變為y+>11.225。當網格y+<11.225時，FLUENT中采用層流應力應變關系，即：U+=Y+。
對于對一層網格所在的y+值，各個學者推薦的范圍是不一樣的，但一般在30-60之內肯定是沒有問題的。也有推薦10-110甚至200的。y+的值合理，意味著你的第一層邊界網格布置比較合理，如果y+不合理，就要調整你的邊界層網格。y+普遍存在于湍流問題中，Y+是由solver解出來的結果，網格劃分時，底層網格一般布置到對數分布律成立的范圍內，即11.5~30<=y+<=200~400。在計算開始時，y+并不知道，這些值需要在計算過程中加以調整。數值計算實踐表明，y+對傳熱特性的影響比較大，往往存在一個合適的取值范圍，在該范圍內數值計算結果與實驗數據的符合較好。算每個模型都要先大概算一下，然后得到y+，然后再算第一層高度，重新畫網格，貌似像是一個迭代的過程。
根據雷諾相似，我們可以根據平均速度的對數分布，同樣給出平均溫度的類似分布。FLUENT提供的平均溫度壁面法則有兩種：1，導熱占據主要地位的熱導子層的線性率分布；2，湍流影響超過導熱影響的湍流區域的對數分布。
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？
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四十七、Fluent近壁面處理
</p><p> </p><p> </p><p>注：</p><p>LES大渦模型在三維模型可以在Fluent湍流模型界面打開，但是二維模型時，需要輸入文本命令才能打開LES模型。</p><p>文本命令：(rpsetvar 'les-2d? #t)</p><p> </p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy8E8N98eN4wG1xtiaYIT9vbZjHZ8YicbicySpBaUNRQQRkHgndfLzM5dJh46UQGHUrwGibjIxRkcGx16A/640?wx_fmt=png" width="100%"></p><p> </p><p> </p><p> </p><p><strong>6. 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。
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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 流體 | Fluent中壁面函數和粗糙度
通過前面老曾介紹的fluent中粗糙度設置，相信讀者對于粗糙度有一定的了解，知道了一些物質表面粗糙度常用取值。但是對于粗糙度是怎么影響流體運動的或者說粗糙度以怎樣形式參與到NS方程的求解可能讀者對其不是很了解。
其實粗糙度的影響是以壁面函數的形式參與進來的，首先我們來看看壁面函數中不考慮粗糙度影響時的對數分布律：
下圖就是比較光滑壁面和粗糙壁面的速度剖面圖：
源自CAE技術交流公眾號
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