Fluent湍流模型中壁面函数选择建议

4月前浏览10017

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了Fluent软件中处理流动近壁面的两种方法：基于粗糙网格的壁面函数法和基于细密网格的近壁模型法。详细阐述了Fluent 2020R1版本中提供的五种壁面处理方式，包括标准壁面函数、比例适应壁面函数、非平衡壁面函数、增强壁面处理和Menter_Lechner方法，并指出了它们的适用场景和优缺点。最后通过一个实例验证了Menter_Lechner壁面处理方式的稳健性，并鼓励读者讨论和转载。

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。