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NFX|CFD边界层网格(2D)

1月前浏览1155

边界层 Layered Mesh

    所谓边界层,是指流体沿固体表面流动时,固体表面附近很薄的一层区域。在这个区域内,受壁面的无滑移条件和外流的速度条件控制,流体产生了较强的法向速度梯度,粘性力不可忽略。而薄层之外的流场中,因速度梯度较小,粘性力通常可以忽略。边界层的概念由德国人普朗特(Prandtl)提出

    普朗特(Prandtl)边界层理论认为粘性力只影响近壁区域,在此之外的区域(主流区或外流区),粘性力的影响很小。这样使得无法求解的N-S方程转化为可以求解的边界层方程和势流方程。这是普朗特边界层理论的重大意义。

普朗特边界层理论成立的条件需要满足两个条件:边界层必须很薄、雷诺数必须很大

式中:δ是边界层厚度,L是沿流向的长度

只有雷诺数很大,粘性力影响范围才很小,边界层才会很薄

   对于层流问题,边界层的流动非常规则,可以基于普朗特提出的边界层方程求得。然而对于湍流运动,边界层的速度分布非常混乱,几乎找不出规律。这也给湍流的求解带来了很大难度。

   此时前面所述的重要研究方法–湍流时间平均再次派上用场。

   很显然湍流是典型的非定常运动,但如果把湍流边界层内各点的速度在足够长的时间内进行平均,就会发现平均后的流场是非常有规律的,按照这种平均速度所定义的湍流边界层与层流边界层有相似的规律。

研究者们再次将速度和边界层距离进行无量纲化,得到了如图所示的湍流边界层分布规律。

图表示的是近壁面位置的无量纲速度分布情况
CFD|常用的无量纲数

横坐标表示无量纲壁面距离:

纵坐标表示无量纲壁面速度:

其中,

CFD|无因次距离壁面y+

在y+<5的区域,速度呈现非线性形式,该区域称为粘性子层;

在y+>60的区域,速度与距离几乎呈线性趋势,该部分区域为完全发展湍流,也称为对数律区域;

两部分之间的区域,常称之为过渡子层。

对于近壁面区域的求解,主要集中在粘性子层的求解,主要有两种方式:

1.直接求解粘性子层

求解粘性子层,需要保证第一层节点的y+值小于5,因此需要非常精细的网格。对于湍流模型,通常选择低雷诺数模型(如k-ω模型)。通常来说,若壁面对于仿真结果非常重要(如气动阻力计算、旋转机械叶片性能等),需采用此方法。

2.利用壁面函数

壁面函数要求第一层节点满足30<y+<300,当y+值过小时,壁面函数不可用,当y+值过大时,无法求解粘性子层。通常使用高雷诺数模型(如k-ε模型)。一般来说粘性子层不是特别重要时,选用壁面函数进行求解。

在NFX CFD中,通过Reichardt壁面扩展函数求解边界层分布规律:


   壁函数选项通常用于模拟非常靠近壁的黏性子层区域Viscous sublayer region的速度变化。即使使用壁函数,也需要一个能够准确表示边界层特征的单元网格来更好地模拟速度随离壁距离的变化。通过使用边界层网格功能,可以在物理变量梯度较大的区域中轻松生成密集的多层单元网格

边界层控制层数支持2种方式,第一层高度,每层总高度

提供指定边界层区域,只局部区域做边界层网格划分

程序自动关联几何体和网格之间的关系


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来源:midas机械事业部
非线性旋转机械湍流NFXMIDAS理论材料控制
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首次发布时间:2024-10-14
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