壁面模型
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-12-28
壁面模型的視頻教程
基于動(dòng)參考系法(MRF/滑移網(wǎng)格)+DPM模型的植保無(wú)人機(jī)螺旋槳下洗和噴霧仿真
1、掌握DPM模型的參數(shù)設(shè)置，理解參數(shù)含義。包括： 噴霧仿真的思路，模型的簡(jiǎn)化； DPM模型的設(shè)置； 注射器的設(shè)置，包括： 類(lèi)型，顆粒類(lèi)型，材料，噴嘴參數(shù)的設(shè)置等； DPM壁面模型的設(shè)置與講解； 2、掌握螺旋槳（旋轉(zhuǎn)機(jī)械）的穩(wěn)態(tài)和液滴軌跡追蹤仿真。
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壁面模型的實(shí)例教程
壁面的存在對(duì)湍流流動(dòng)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(dòng)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(lái)源，近壁面模型對(duì)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(dòng)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(dòng)的準(zhǔn)確表征決定了壁面湍流流動(dòng)預(yù)測(cè)的成功與否。
大量實(shí)驗(yàn)表明，近壁區(qū)域可大致細(xì)分為三層。在最內(nèi)層，稱(chēng)為“粘性底層”，流動(dòng)幾乎是層流的，(分子)粘度在動(dòng)量和傳熱傳質(zhì)中起主導(dǎo)作用。外層被稱(chēng)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(gè)過(guò)渡區(qū)域，分子粘度和湍流的影響同樣重要。圖4.13說(shuō)明了近壁區(qū)域的這些細(xì)分，以半對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪制。
一般來(lái)說(shuō)，有兩種方法來(lái)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(guò)度層)。用半經(jīng)驗(yàn)公式“壁面函數(shù)”來(lái)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(chēng)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(duì)湍流模型進(jìn)行了修改，使粘滯影響區(qū)域能夠通過(guò)網(wǎng)格一直解析到壁面，包括粘滯底層，這種方法稱(chēng)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(huì)逐漸導(dǎo)致壁面剪切應(yīng)力和壁面傳熱誤差無(wú)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(huì)產(chǎn)生惡化的結(jié)果。這種與y+無(wú)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(duì)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(kāi) Fluent中的standard wall functions， scalable wall functions, Non-Equilibrium wall functions和Enhanced wall treatment都屬于壁面函數(shù)法的模型。
B.
近壁模型法。修改湍流模型以使其能夠求解近壁粘性影響區(qū)域，包括粘性底層。此處使用的方法即近壁模型。（近壁模型不需要使用壁面函數(shù)，如一些低雷諾數(shù)模型，K-W湍流模型是一種典型的近壁湍流模型）。
所有壁面函數(shù)（除scalable壁面函數(shù)外）的最主要缺點(diǎn)在于：沿壁面法向細(xì)化網(wǎng)格時(shí)，會(huì)導(dǎo)致數(shù)值結(jié)果惡化。當(dāng)y+小于15時(shí)，將會(huì)在壁面剪切力及熱傳遞方面逐漸導(dǎo)致產(chǎn)生無(wú)界錯(cuò)誤。然而這是若干年前的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如今ANSYS FLUENT采取了措施提供了更高級(jí)的壁面格式，以允許網(wǎng)格細(xì)化而不產(chǎn)生結(jié)果惡化。而y+無(wú)關(guān)的格式是默認(rèn)的基于w方程的低湍流模型，其采用網(wǎng)格求解的方式計(jì)算近壁面粘性區(qū)域。對(duì)于基于epsilon方程的模型，增強(qiáng)壁面函數(shù)（EWT）提供了相同的功能。這一選項(xiàng)同樣是SA模型所默認(rèn)的，該選項(xiàng)允許用戶(hù)使其模型與近壁面y+求解無(wú)關(guān)。
只有當(dāng)所有的邊界層求解都達(dá)到要求了才可能獲得高質(zhì)量的壁面邊界層數(shù)值計(jì)算結(jié)果。這一要求比單純的幾個(gè)Y+值達(dá)到要求更重要。
使用近壁模型法時(shí)，覆蓋邊界層的最小網(wǎng)格數(shù)量在 10層左右，最好能達(dá)到20層。還有一點(diǎn)需要注意的是，提高邊界層求解常常可以取得穩(wěn)健的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，因?yàn)橹恍枰?xì)化壁面法向方向網(wǎng)格。對(duì)于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，建議劃分10~20層棱柱層網(wǎng)格以提高壁面邊界層的預(yù)測(cè)精度。棱柱層厚度應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)為保證有15層或更多網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。另外，棱柱層大于邊界層厚度是必要的，否則棱柱層會(huì)限制邊界層的增長(zhǎng)。
展開(kāi) 如果上述幾點(diǎn)在流動(dòng)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(duì)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(xiàng)，適用于高雷諾數(shù)流動(dòng)，計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)小，在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，適合于壁面附近流動(dòng)對(duì)所研究問(wèn)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(dòng)，避免了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)在y+<11時(shí)，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(duì)于較粗的網(wǎng)格，與標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的計(jì)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(duì)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(dòng)問(wèn)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(wèn)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(gè)近壁面模型方法,結(jié)合了一個(gè)兩層的模型，適用于低雷諾數(shù)流動(dòng)，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(gè)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(huì)帶來(lái)太大的計(jì)算需求；
Menter-Lechner處理,這是一個(gè)對(duì)y +不敏感的壁面處理。
展開(kāi) 02 模型建立
本案例選取了兩種轉(zhuǎn)盤(pán)腔類(lèi)型作為研究對(duì)象，分別是封閉轉(zhuǎn)子-定子轉(zhuǎn)盤(pán)腔和徑向流出旋轉(zhuǎn)腔，如圖1所示。下表給出了所使用的數(shù)值模型、網(wǎng)格、計(jì)算核時(shí)等信息。
圖1 轉(zhuǎn)子-定子腔（左）和徑向流出旋轉(zhuǎn)腔（右）示意圖
使用CFD仿真軟件中三種不同的數(shù)值模型對(duì)以上兩個(gè)不同的案例進(jìn)行了測(cè)試，以比較不同數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。
03 結(jié)果分析
封閉轉(zhuǎn)子-定子腔：下圖展示了封閉轉(zhuǎn)子-定子轉(zhuǎn)盤(pán)腔案例的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，結(jié)果顯示三種壁面模型都能較好地吻合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。不同半徑下的模擬結(jié)果都吻合較好，此處僅以r*=0.7 為例。相較而言，壁面模型LES的結(jié)果更好。
圖2 r*=0.7處，幾種壁面模型計(jì)算的切向速度和徑向速度和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比
下圖展示了速度擾動(dòng)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，同時(shí)還比較了使用DNS方法和其他CFD求解器的壁面模型LES的結(jié)果。結(jié)果顯示本實(shí)驗(yàn)所用CFD仿真軟件的壁面模型LES能很好地預(yù)測(cè)雷諾應(yīng)力，尤其是在邊界層中。對(duì)于雷諾應(yīng)力預(yù)測(cè)，本實(shí)驗(yàn)所用CFD仿真軟件的性能與其他CFD求解器相似或更好。
圖3 r*=0.7處，幾種壁面模型計(jì)算的速度擾動(dòng)的切向速度和徑向速度和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比
壁面解析RANS（WRRANS）數(shù)值模型對(duì)線性層和對(duì)數(shù)層中的速度進(jìn)行了合理的預(yù)測(cè)。壁面模型無(wú)法求解粘性底層中的速度，但可以很好地預(yù)測(cè)對(duì)數(shù)層中的速度，但在對(duì)數(shù)層中的低y+區(qū)域速度預(yù)測(cè)不足。
圖4 三種壁面模型定子和轉(zhuǎn)子的近壁面模擬結(jié)果
徑向流出旋轉(zhuǎn)腔：分別使用了不同的壁面求解方法，模擬了旋轉(zhuǎn)盤(pán)上具有三種不同溫度邊界條件（BC）的情況。通過(guò)后處理得到了旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)上的努塞爾數(shù)分布，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。RANS和壁面模型LES都較好地吻合了測(cè)量值。兩種理論求解方法也有很好的準(zhǔn)確性。
展開(kāi) 02 模型建立
本案例選取了兩種轉(zhuǎn)盤(pán)腔類(lèi)型作為研究對(duì)象，分別是封閉轉(zhuǎn)子-定子轉(zhuǎn)盤(pán)腔和徑向流出旋轉(zhuǎn)腔，如圖1所示。下表給出了所使用的數(shù)值模型、網(wǎng)格、計(jì)算核時(shí)等信息。
圖1 轉(zhuǎn)子-定子腔（左）和徑向流出旋轉(zhuǎn)腔（右）示意圖
使用CFD仿真軟件中三種不同的數(shù)值模型對(duì)以上兩個(gè)不同的案例進(jìn)行了測(cè)試，以比較不同數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。
03 結(jié)果分析
封閉轉(zhuǎn)子-定子腔：下圖展示了封閉轉(zhuǎn)子-定子轉(zhuǎn)盤(pán)腔案例的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，結(jié)果顯示三種壁面模型都能較好地吻合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。不同半徑下的模擬結(jié)果都吻合較好，此處僅以r*=0.7 為例。相較而言，壁面模型LES的結(jié)果更好。
圖2 r*=0.7處，幾種壁面模型計(jì)算的切向速度和徑向速度和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比
下圖展示了速度擾動(dòng)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，同時(shí)還比較了使用DNS方法和其他CFD求解器的壁面模型LES的結(jié)果。結(jié)果顯示本實(shí)驗(yàn)所用CFD仿真軟件的壁面模型LES能很好地預(yù)測(cè)雷諾應(yīng)力，尤其是在邊界層中。對(duì)于雷諾應(yīng)力預(yù)測(cè)，本實(shí)驗(yàn)所用CFD仿真軟件的性能與其他CFD求解器相似或更好。
圖3 r*=0.7處，幾種壁面模型計(jì)算的速度擾動(dòng)的切向速度和徑向速度和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比
壁面解析RANS（WRRANS）數(shù)值模型對(duì)線性層和對(duì)數(shù)層中的速度進(jìn)行了合理的預(yù)測(cè)。
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壁面模型的最新內(nèi)容
分子動(dòng)力學(xué)模擬-礦物表面潤(rùn)濕性1個(gè)月前
1，初始模型構(gòu)建：初始模型是氣-水-壁面模型，使用PACKMOL構(gòu)建，使用lammps也可以用lammps建模
2，選擇力場(chǎng)：CO2可用TRAPPE，EPM2力場(chǎng)，H2O用SPC/E力場(chǎng)，油用OPLS-AA力場(chǎng)，黏土礦物用clayff力場(chǎng)
3，進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬：能量最小化-平衡動(dòng)力學(xué)-生產(chǎn)動(dòng)力學(xué)
4，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可分析密度分布，擴(kuò)散系數(shù)，相互作用力參數(shù)等
5，提供LAMMPS in文件
CFD結(jié)果映射到ABAQUS模型上6個(gè)月前
這會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：
(1) 流體壁面和結(jié)構(gòu)壁面模型坐標(biāo)系不一致，參數(shù)無(wú)法直接用；
(2) 流體壁面和結(jié)構(gòu)壁面玩?zhèn)€節(jié)點(diǎn)不一致，無(wú)法進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的參數(shù)傳遞。
所謂逢山開(kāi)路遇水搭橋，在這種情況下，我們就需要開(kāi)發(fā)一些小工具，自動(dòng)完成參數(shù)映射。
本文以某型天線為例，給出CFD的溫度場(chǎng)映射到ABAQUS模型上的方法。
全部流程如下：
1，建立壁面模型(干酪根，石墨烯，二氧化硅，蒙脫石，高嶺石，伊利石，方解石等)；建立原油組分分子結(jié)構(gòu)；建立注入氣(CO2, CH4, N2)的分子結(jié)構(gòu)；
2，賦予干酪根CVFF力場(chǎng)，粘土礦物ClayFF力場(chǎng)，CO2, N2分別用fix rigid設(shè)為剛體，CH4用聯(lián)合原子/OPLS力場(chǎng)，原油組分用OPLS-AA力場(chǎng)。
DPM|04邊界條件及后處理9個(gè)月前
顆粒直徑
粗糙壁面模型需要從Injection設(shè)置框激活
激活模型后，每個(gè)wall壁面的DPM設(shè)置都可以指定粗糙壁面參數(shù)
顯示軌跡
要顯示軌跡，請(qǐng)轉(zhuǎn)到“Result”選項(xiàng)卡的“Graphics”組中的“Particle Tracks”選項(xiàng)，然后單擊“New”
Release from Injections：選擇要跟蹤的Injection
例如，對(duì)不同壁面沸騰模型進(jìn)行研究，針對(duì)特定場(chǎng)景獲取精確的多相流相變模型。
數(shù)值方法與算法優(yōu)化：為提高多相流模型的計(jì)算效率和穩(wěn)定性，發(fā)展了一系列先進(jìn)的數(shù)值方法和算法，如高精度差分格式、自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)、并行計(jì)算技術(shù)等。這些方法和算法能夠更好地處理多相流模型中的復(fù)雜方程組和大規(guī)模計(jì)算問(wèn)題，加快模擬過(guò)程，提高模擬結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。
軟件支持熱限制模型與RPI壁面沸騰模型，并開(kāi)發(fā)有先進(jìn)的的壁面冷凝模型，可根據(jù)此對(duì)池沸騰、大空間冷凝相變、壁面相變等進(jìn)行數(shù)值模擬。
在處理熱虹吸問(wèn)題時(shí)，通過(guò)模擬蒸發(fā)相變，觸發(fā)熱虹吸效應(yīng)，進(jìn)而研究熱邊界及固體結(jié)構(gòu)對(duì)虹吸過(guò)程流量、流速的影響。
軟件能夠根據(jù)計(jì)算的兩相流動(dòng)狀態(tài)自動(dòng)切換所采用的兩相流模型，適用的多相流典型形態(tài)包括界面流、離散相以及混合流，提升計(jì)算準(zhǔn)確性。
壁面沸騰：通過(guò) N 相均相模型、標(biāo)準(zhǔn) k-epsilon 湍流模型和 RPI 壁面沸騰模型，成功模擬了對(duì)流沸騰現(xiàn)象，出口氣含率與試驗(yàn)結(jié)果一致，且在多組算例中精度優(yōu)于國(guó)外商用軟件。
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全部流程如下：
1，建立壁面模型(干酪根，石墨烯，二氧化硅，蒙脫石，高嶺石，伊利石，方解石等)；建立原油組分分子結(jié)構(gòu)；建立注入氣(CO2, CH4, N2)的分子結(jié)構(gòu)；
2，賦予干酪根CVFF力場(chǎng)，粘土礦物ClayFF力場(chǎng)，CO2, N2分別用fix rigid設(shè)為剛體，CH4用聯(lián)合原子力場(chǎng)，原油組分用OPLS力場(chǎng)。
報(bào)告通過(guò)生動(dòng)的案例，從冷凝回流過(guò)程介紹、VirtualFlow壁面冷凝模型、仿真應(yīng)用過(guò)程分析等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹，充分展示了VirtualFlow在模擬復(fù)雜流體流動(dòng)、傳熱現(xiàn)象方面的卓越能力，以及其在核電站設(shè)計(jì)、安全分析等方面所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。
本研究采用浸入邊界法（IST）劃分網(wǎng)格，homogeneous mixture模型捕捉氣液兩相界面運(yùn)動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型描述湍流，并利用熱限制相變模型、LEE模型及壁面冷凝模型等描述流動(dòng)相變效應(yīng)，分析了工質(zhì)在系統(tǒng)回路中的流動(dòng)狀態(tài)、相變率及相含率變化。
