Fluent壁面函數
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-04-12
Fluent壁面函數的視頻教程
fluent傳熱壁面設置 定溫度 對流換熱 輻射 壁面厚度 shell conduction
講述了fluent傳熱壁面設置參 定溫度 對流換熱 輻射 壁面厚度 shell conduction等參數設置及含義
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寧老師CAE團隊：Fluent視頻教程-運動壁面仿真分析
兩個同心圓柱，進行相反方向旋轉。旋轉速度均為20rad/s，內圓柱溫度為305K，外圓柱溫度為295K，液體為甘油。內外圓直徑分別為140mm和240mm
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fluent專家-流動-案例2-低雷諾數近壁面圓柱繞流模擬
本案例模擬在雷諾數200情況下，進口速度0.01m/s，近壁面圓柱繞流現象。 本次視頻提供幾何建模-網格劃分-邊界條件設定-結果后處理-動畫制作等 知識點：熟悉掌握designmodeler、mesh、動畫制作等。 讓初學者可以自己按照視頻從頭到尾做出來。
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Fluent壁面函數的實例教程
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 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 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 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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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。
壁面函數的選取依據</a>，只要有以下的情況，壁面函數就不可用了。
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。
當我們在Fluent中選擇壁面函數時，必須要保證y+>15。
由此可一步步反推第一層網格高度y的值。式中ρ為流體密度，U為流體主流速度，U∞為流體動力粘度，d為特征長度。
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。
fluent動網格，水流被攪拌的同時收到高溫壁面加熱汽化，全程操作視頻、全部計算文件、udf等文件
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
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Fluent中的壁面函數和近壁模型
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，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。
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。
