近壁区流动FLUENT有两种方法来处理

近壁区流动FLUEN T有两种方法来处理

1y+壁面函数法（在划分网格时，不需要在壁面区加密，只需要把第一个内节点布置在对数律成立的区域内）

2在边界层网格划分的要密集些，采用低Re数动能-动能耗散模型

壁面函数法的基本思想是：对于湍流核心区的流动使用动能-动能耗散模型求解，而在壁面不进行求解，直接使用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区的求解变量联系起来。

关于FLUENT中Y+的一些讨论

(2012-02-18 12:48:09)

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分类：CFD

标签：

杂谈

一、关于fluent计算时壁面函数法和网格的关系，还有一个小问题1:各位用fluent的同仁和高手们，我想要比较好的使用fluent软件，最重要的就是要学好理论，在这里我想请教各位一个问题，在使用标准k-eplison和一些其他的封闭模型时，对于近壁区的流动要使用壁面函数法求解。那么在划分网格时，是不是一定要把把第一个内节点布置在湍流充分发展的区域内呢？我们如果自动生成网格时，如果说第一个节点在壁面的粘性底层内，是不是对计算有一定的影响呢？还有一个问题就是在gambit中设置的wall壁面，怎么到fluent设置为内部表面interior，好像在边界条件设置时没有这个边界呀。

2:为什么要用壁面函数？？就是因为，k-epsilon模型中，k的boundary condition 已知，在壁面上为零，而epsilon的boundary condition在壁面上为一未知的非零量，如此如何来解两方程模型？？？所以，我们就需要壁面函数来确定至少

第一内节点上的值，当然也包括壁面上的值。实际上就是把epsilon方程的boundary condition放到了流体内部。至于壁面函数的应用范围，要看它是如何获得的，简单说，他们都是由于，靠近壁面，雷诺应力在粘性底层内基本消失，所以，navier-stokes变为可解，而求得。所以，凡是应用壁面函数求得的节点，都应设置在粘性底层(y+=5-8)或者至少为线性底层(y+>30?具体数值忘记了)，当然你放得越低，精度越高，但是网格越小。我在matlab内自己写的code,在y+=5-8内放10层,fluent应该可以更高。放在fully developed region是完全错误的。

4:二楼的兄弟，谢谢！我的意思是壁面函数法和k-epsilon混合使用，是不是它只计算壁面到第一个节点线之间的区域？如果是这样的话，划分网格是不是要计算这个距离呢？Y+这个值是我们控制，还是fluent在求解时自动计算呢？y+的临界值好像是11.63，不过这个值不是绝对的。

为什么要使用壁面函数呢？首先，在CFD中应用湍流模型并不一定需要使用壁面函数，在粘性支层中可以对N-S方程直接求解。在粘性支层中，速度梯度很大，vorticity不为零，所以要直接求解，就必须在粘性支层中布置较多节点，一般要10层以上，这就是一般的低Re数湍流模型。当然这样将占用较多的计算资源。而在边界层中，是存在解析解的，如果

在粘性支层内不求解三维N-S方程，而用一维数学模型代替，将大大降低计算资源的使用，这就是壁面函数。一般高Re数湍流模型都使用壁面函数。第一层

网格节点布置在粘性支层之外。那么你如何判断你的边界层网格节点布置是否合适呢？这就要检查你的y+，y+就是第一层网格质心到壁面的无量纲距离，与速度、粘度、剪应力等等都有关系。对于y+的值，各个学者推荐的范围是不一样的，但一般在30-60之内肯定是没有问题的。也有推荐10-110甚至200的。y+的值合理，意味着你的第一层边界网格布置比较合理，如果y+不合理，就要调整你的边界层网格。

二、关于Y+的几点笔记

y+普遍存在于湍流问题中，Y+是由solver解出來的結果，网格划分时，底层网格一般布置到对数分布律成立的范围内，即11.5~30<=y+<=200~400。在计算开始时，y+并不知道，这些值需要在计算过程中加以调整。数值计算实践表明，y+对传热特性的影响比较大，往往存在一个合适的取值范围，在该范围内数值计算结果与实验数据的符合较好。算每个模型都要先大概算一下，然后得到y+，然后再算第一层高度，重新画网格，貌似像是一个迭代的过程。

估算可以采取以下的方法：

1，专门计算器

最好是使用NASA Viscous Grid Space Calculator计算，网址为：

https://www.sodocs.net/doc/5d9336030.html,/APPS/YPlus/

2，

3，一些经验之谈Laminar sublayer (y+ < 5)

Buffer region (5 < y+ < 30)

Turbulent region (y+ > 30)

增强的壁面函数（Enhanced Wall Treatment）对于y plus大于30的有很好的作用，对于5到30的也能求解，但对于laminar底层，对求解非常敏感，特别是在高雷诺数的情况下。所以对于高雷诺数的湍流流动，可以先选择增强的壁面函数设置，然后计算完以后，通过计算的y plus对网格进行修改。

湍流边界层分为内区和外区，而内区有分成：

粘性子层，粘性作用主导

过渡层，湍流作用和粘性作用相当

对数律层，湍流作用主导

外区：惯性力主导

距离壁面最近节点定义了y＋的值，在他们之间应用壁面函数，一般应该使该节点位于粘性子层之外，即y＋>=11.06好像，同时在湍流边界层内应该布置一定数量的网格节点，而y＋的上限由雷诺数判定，我觉得和湍流边界层的厚度有关，因为从经验上，对数律层只能到总的边界层厚度的20％。

问题是：具体在生成网格时，如何来控制网格满足一定的y＋要求呢？

对大空间的钝体绕流计算，合理的y＋应该在什么范围内？而据我所知，y＋是结果算出来之后查看的，如果不是很关心剪切力，湍流边界层需要准确计算吗？一刚开始，壁面网格生成凭经验确定。计算后，根据流场查看y+值是否满足事前的假定，不满足则需要修改网格，再计算、查看y+，如此继续下去。因而我感觉事先是无法准确确定网格

y+是与速度相关的量，不仅仅取决于第一层网格的尺寸，因此必须进行实际运算才能知道。不过如果做的活多了，就会知道第一层网格该怎么取了！

主要是计算后检验，需要反复几次。

一般有y+在30至100左右，太密了，壁函数就作用不大了；过大，壁面处精度不够。对于

粗糙壁面，yp一般为4倍的粗糙度。30—100是壁面函数的敏感区，大于100时必须要采用壁面函数修正，但是精度有较大影响，

在小于30时，可以不用壁面函数，目前一般的求解，尽量不要用壁面函数，为了求解精度的需要，取值小于30，就可以了。

可以使用公式进行估计

近壁y+估计值（经验公式）4 2 2

近壁y+实际值（计算结果）3～8 1～6 1～5

如果使用标准壁面函数，真如上面所说，过大和过小，都不好，一般为30左右最好！

如果使用低雷诺数模型，及enhance wall function，y＋需要是1的量界！

至于划分网格的过程，需要多次的反复

ANSYS 14 FLUENT用户教程中二维翼型的例子

The values of Y+are dependent on the resolution of the mesh and the Reynolds number of the flow, and are defined only in wall-adjacent cells. The value of

Y+in the wall-adjacent cells dictates how wall shear stress is calculated.When you use the Spalart-Allmaras model, you should check that Y+of the

wall-adjacent cells is either very small(on the order of Y+ =1),or approximately 30 or greater. Otherwise, you shouldmodify your mesh.

The equation fo r Y+is

Where Y is the distance from the wall to the cell center,μis the molecular viscosity,ρis the density of the air, and τＷis the wall shear stress.

Figure 5.11(p. 254)indicates that, except for a few small regions (notably at the shock and the trailing edge),Y+ ３０and for much of these regions it does not drop significantly below 30. Therefore, you can conclude that the near-wall mesh resolution is acceptable.

Figure 5.11 XY Plot of y+ Distribution

二维管流教程

2012-03-04 13:16

闲谈CFD <5>——壁面函数 vs. 近壁面模型

有两种方法处理近壁面区域。一种方法，不求解粘性影响内部区域（粘性子层及过渡层），使用一种称之为“wall function”的半经验方法去计算壁面与充分发展湍流区域之间的粘性影响区域。采用壁面函数法，省去了为壁面的存在而修改湍流模型。另一种方法，修改湍流模型以使其能够求解近壁粘性影响区域，包括粘性子层。此处使用的方法即近壁模型。（近壁模型不需要使用壁面函数，如一些低雷诺数模型，K-W湍流模型是一种典型的近壁湍流模型）。所有壁面函数（除scalable壁面函数外）的最主要缺点在于：沿壁面法向细化网格时，会导致使数值结果恶化。当y+小于15时，将会在壁面剪切力及热传递方面逐渐导致产生无界错误。然而这是若干年前的工业标准，如今ANSYS FLUENT采取了措施提供了更高级的壁面格

式，以允许网格细化而不产生结果恶化。这些y+无关的格式是默认的基于w方程的湍流模型。对于基于epsilon方程的模型，增强壁面函数（EWT）提供了相同的功能。这一选项同样是SA模型所默认的，该选项允许用户使其模型与近壁面y+求解无关。（实际上是这样的：K-W方程是低雷诺数模型，采用网格求解的方式计算近壁面粘性区域，所以加密网格降低y+值不会导致结果恶化。k-e方程是高雷诺数模型，其要求第一层网格位于湍流充分发展区域，而此时若加密网格导致第一层网格处于粘性子层内，则会造成计算结果恶化。这时候可以使用增强壁面函数以避免这类问题。SA模型默认使用增强壁面函数）。

只有当所有的边界层求解都达到要求了才可能获得高质量的壁面边界层数值计算结果。这一要求比单纯的几个Y+值达到要求更重要。覆盖边界层的最小网格数量在10层左右，最好能达到20层。还有一点需要注意的是，提高边界层求解常常可以取得稳健的数值计算结果，因为只需要细化壁面法向方向网格。与增加精度向伴随的是计算开销的增加。对于非结构网格，建议划分10~20层棱柱层网格以提高壁面边界层的预测精度。棱柱层厚度应当被设计为保证有15层或更多网格节点。这可以在获得计算结果后，通过查看边界层中心的最大湍流粘度，该值提供了边界层的厚度（最大值的两倍位置即边界层的边）。棱柱层大于边界层厚度是必要的，否则棱柱层会限制边界层的增长。

一些建议：（1）对于epsilon方程，使用enhanced壁面函数。（2）若壁面函数有助于epsilon 方程，则可以使用scalable壁面函数。（3）对于基于w方程的模型，使用默认的增强壁面函数。（4）SA模型，使用增强壁面处理。

以上内容翻译自Fluent理论文档P121。

1、标准壁面函数ANSYS FLUENT中的标准壁面函数是基于launder与spalding的工作，在工业上有广泛的应用。在标准壁面函数中，用得比较多的变量为y*，y*的下限为15，低于此值，将会导致结果精度恶化。标准壁面函数用于以下模型：k-epsilon模型与reynolds stress 模型。这两个模型均为高雷诺数模型。

2、Scalable壁面函数该壁面函数是14.0新加的，以前的版本中没有的。也是CFX软件中默认的湍流壁面函数。该壁面函数能避免在y*<15时计算结果恶化，该壁面函数对于任意细化的网格，能给出一致的解。当网格粗化使y*>11时，该壁面函数的表现与标准壁面函数一致。scalable壁面函数的目的在于联合使用标准壁面方法以强迫使用对数律。该功能是通过使用限制器y*=max(y*,y*limit)来实现的，其中y*limit=11.225。

3、非平衡壁面函数非平衡壁面函数的特点：（1）用于平均速度的launder及spalding的对数律对于压力梯度效应敏感。（2）采用双层概念以计算临壁面单元的湍流动能。对于平均温度及组分质量分数则与标准壁面函数处理方式相同。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，推荐使用些壁面函数。但是非平衡壁面函数不适合于低雷诺流动问题。非平衡壁面函数适用于高雷诺流动问题，适用于以下湍流模型：（1）K－epsilon模型（2）reynolds stress transport 模型。

4、壁面函数方法的局限对于大多数壁面边界流动问题，标准壁面函数能给出合理的预测。非平衡壁面函数考虑了压力梯度效应，扩展了标准壁面函数的功能。但是一些流动问题不适合使用壁面函数，否则可能导致不合理的解。如以下一些情况：（1）低雷诺数流动或近壁面效应（例如小缝出流、高粘性低速流动问题）（2）通过壁面的大量沸腾（3）大的压力梯度导致的边界层分离（4）强体力（如旋转圆盘附近的流动、浮力驱动流动）（5）近壁区域高度三维流动（如ekman螺旋流动、高度歪斜的3D边界层）若模型中出现了以上的情况，则必须使用近壁模型。ANSYS FLUENT中提供了增强壁面处理以应对这些情况。这一方法能够用于K－epsilon模型及RSM模型。

5、增强壁面处理（EWT）不依赖于壁面法则，对于复杂流动尤其是低雷诺数流动问题很适

合。该方法要求近壁面网格很密，y+接近于1。对于epsilon方程的近壁面处理结合了双层模型。若近壁面网格足够密以致于可以求解粘性子层时（通常第一节点y+接近于1），增强壁面处理与传统的双层区域模型一致。然而，要求近壁区域网格足够细化是会大大增加对计算资源的需求（网格会很密很多）。增强壁面函数可用于以下湍流模型：（1）所有的基于epsilon的湍流模型（不包括二次RSM模型）（2）所有的w模型（3）对于SA模型，这一选项不可用。然而，这一模型对于壁面函数（y*>15）及粘性子层网格（y*<2）是一致的。处于中间的网格应当被避免，因为会降低计算精度。换句话说，对于SA模型，要么y*>15，要么y*<2。