Fluent壁面傳熱的案例
壁面傳熱建模的兩種方法
圖4 Shell Conduction
2總結
今天主要給大家帶來Ansys Fluent壁面傳熱的兩種建模方法，希望小伙伴們能夠根據自己面臨的方法自行選擇 。
文章來源：數值模擬交流之林
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 FLUENT中壁面函數 和 近壁面模型
在數值模擬中，如何有效處理固體壁面附近的流場一直是一個比較棘手的問題。一個稍復雜一點算例，簡單更換一下壁面處理方法對計算結果都有較顯著的影響，在缺少實驗數據驗證和流場涉及多種流動形態時，如何選擇行之有效和經濟合理的算法是一個艱難的考驗，一般需要仔細考察流場與算法機理之間的契合度。
邊界層分為層流邊界層和湍流邊界層，層流邊界層為最靠近壁面或者層流流動時的邊界層，對于一般湍流流動，兩種邊界層都有。按參數分布規律劃分時，邊界層分為內區和外區，內區分為：
粘性底層，Laminar sublayer(y+<5，Amano的三層模型)，粘性起主導作用，在粘性支層中與壁面平行的速度與離開壁面的距離成線性關系（陶文銓，《數值傳熱學》）；
過渡層，Buffer region(5<y+<30)，湍流作用與粘性作用共同作用；
對數律層，Log-law region（30<y+），湍流起主導作用，無量綱速度與溫度分布服從對數分布律；
外區：慣性力主導，上限取決于雷諾數
圖1 邊界層結構（引自中科大Fluent講稿）
FLUENT中有兩種方法處理近壁面區域：
A.
壁面函數法。不求解粘性影響內部區域（粘性子層及過渡層），使用一種稱之為“wall function”的半經驗方法去計算壁面與充分發展湍流區域之間的粘性影響區域。采用壁面函數法，省去了為壁面的存在而修改湍流模型。
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。
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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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