Fluent验证案例43：平板边界层转捩

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了一个流体流经平板时流动状态从层流向湍流转捩过程的案例。该案例采用稳态计算，并开启Transition SST转捩模型。计算参数及流体条件如下表所示。计算过程中，采用2D、Double Precision模式启动Fluent，并导入计算网格。在Fluent设置中，进行了General设置、Models设置、Materials设置、Boundary Conditions设置、Methods设置、Controls设置、Monitors设置、Initialization和Run Calculation设置。计算结果包括速度分布、压力分布、转捩分布和云图。最后，定义了雷诺数，查看了壁面摩擦系数与雷诺数之间变化规律，并与实验数据进行了对比观察。

本案例演示流体流经平板时流动状态从层流向湍流转捩过程。

[1]A. M. Savill. “Some recent progress in the turbulence modeling of bypass transition”. Near-Wall Turbulent Flows. Elsevier Science Publishers, pp. 829-848,1993.

[2]P.E. Roach, D.H. Brierley. “The influence of a turbulent free stream on zero pressure gradient transitional boundary layer development. Part I: Test Cases

 T3A and T3B”. Simulation of Unsteady and Transition to Turbulence. Cambridge University Press. Cambridge, pp. 319-347, 1992.

1 问题描述

本案例计算的模型如下图所示。

计算参数及流体条件如下表所示。

采用稳态计算，开启Transition SST转捩模型。

2 Fluent设置

• 以2D、Double Precision模式启动Fluent

2.1 导入计算网格

• 利用菜单File → Read → Mesh…导入网格文件bl-trans.msh

平板边缘位置网格如下图所示。本案例采用二维对称模型。

2.2 General设置

• 双击模型树节点General，右侧面板保持默认设置

• 点击按钮Check，检查计算域尺寸是否满足要求，如下图所示，计算域模型X方向-0.05m~2m，y方向0~0.26m，符合模型实际尺寸，无需缩放操作

2.3 Models设置

• 鼠标双击模型树节点Models > Viscous，弹出对话框中选择模型Transition SST（4 eqn）

• 激活选项Production Kato-Launder及Production Limiter

• 点击OK按钮关闭对话框

2.4 Materials设置

• 鼠标双击模型树节点Materials > Fluid > air弹出材料属性编辑对话框

• 设置密度为1.2 kg/s，粘度为1.831e-5 kg/m-s，如下图所示

• 点击Close按钮关闭对话框

2.5 Boundary Conditions

1、inlet设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > inlet，弹出设置对话框，如下图所示

• 设置速度为5.3 m/s，设置Turbulent Intensity为3.3%，Turbulent Viscosity Ratio为9.7

• 点击OK按钮关闭对话框

2、open设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > open，弹出设置对话框，如下图所示设置参数

3、outlet设置

outlet边界条件设置与open参数相同。

2.6 Methods设置

• 鼠标双击模型树节点Solution > Methods，右侧面板中选择设置Pressure-Velocity Coupling Scheme为Coupled

注：Coupled算法收敛比较快，但消耗的内存相对较多。通常情况下都推荐使用Coupled算法。

2.7 Controls设置

• 鼠标双击模型树节点Solution > Controls，右侧面板设置亚松弛因子，可采用默认设置

2.8 Monitors设置

• 鼠标双击模型树节点Monitors > Residual，如下图所示设置残差标准

2.9 Initialization

• 右键选择模型树节点Initialization，点击弹出菜单项Initialize进行初始化计算

2.10 Run Calculation设置

• 鼠标双击模型树节点Run Calculation，右侧面板设置参数Number of Iterations为2000，点击按钮Calculate开始计算

注：本案例2000步未必能够计算收敛，若计算不收敛，可适当增加迭代次数。

3 计算结果

• 速度分布

• 压力分布

• 转捩分布

云图如下图所示。

• 定义雷诺数

右键选择模型树节点Custom Field Functions，点击弹出菜单项New新建场函数

定义常函数rex为：

其中速度u=5.3m/s，粘度为1.831e-5 kg/m-s。

查看壁面摩擦系数与雷诺数之间变化规律。

如下图所示。

注意：设置y坐标上限为0.01

加入实验数据对比观察，如下图所示。

作者： 流沙CAE，仿真秀科普作者

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