Fluent湍流模型中壁面函数选择建议

真爱像UFO

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2021-09-28

Fluent对于流动的近壁处理方式,如图1所示。

(1)基于近壁面粗糙网格+壁面函数法;

(2)基于近壁面细密网格+近壁模型法。

图1 Fluent中近壁处理方法示意图

壁面函数法在近壁求解时,使用壁面函数,来模拟近壁流动,因此只需要在壁面附近产生粗糙的网格,如图1所示,通过引入一个无量纲变量y+,来表征近壁流动:(1)

,为粘性子层;(2)

,为过渡层;(3)

,为湍流完全发展层。

图2 近壁流动区域划分示意图

图3 壁面处理方式

如图,ANSYS Fluent提供了五种壁面处理方式(2020R1版本):

(1)Standard Wall Functions(标准壁面函数)是fluent默认的选项,适用于高雷诺数流动,计算开销小,在工业中有广泛的应用,适合于壁面附近流动对所研究问题影响不大的情况,不适合大压力梯度;(2)Scalable Wall Functions(比例适应壁面函数)适合于高雷诺数流动,避免了标准壁面函数在y+<11时,结果恶化,该壁面函数为任意细化的网格产生一致的结果,对于较粗的网格,与标准壁面函数的计算结果相同,近壁过密的网格情况下不推荐使用,该壁面函数对y+比较敏感,不建议使用。(3)Non-Equilibrium Wall Functions(非平衡壁面函数)

考虑了压力梯度效应,因此,对于涉及到分离、再附着、及撞击等平均速度与压力梯度相关且变化迅速的复杂流动问题,推荐使用非平衡壁面函数。但是非平衡壁面函数不适合低雷诺数问题。非平衡壁函数可用于K-ε 模型和雷诺应力输运模型;

(4)Enhanced Wall Treatment(增强壁面处理)k-ε方程是一个近壁面模型方法,结合了一个两层的模型,适用于低雷诺数流动,可用于所有的ε-equation模型(二次RSM除外)。如果近壁网格足够细,能够求解粘性子层(通常第一个近壁节点位于y+=1),那么增强的壁处理将与传统的两层区域模型相同。然而,近壁网格必须处处足够细的限制可能会带来太大的计算需求;(5)Menter_Lechner

该壁面处理方式,主要解决流体结果与y+的敏感性问题,该方法对y+的适应性比较好,因此推荐使用。

下面通过一个实例,来对比不同Y+下使用Menter_Lechner壁面处理方式的计算结果。

由以上计算结果可知,y+由8.37变化到1.75,而计算的最大速度值由27.3m/s变化为27.6m/s,基本没有发生变化,由此可见,该壁面处理方式的稳健性。

大家感兴趣的可以对比以上其他壁面处理方式的结果。

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