壁面函数的研究
湍流流动的近壁处理详解
壁面对湍流有明显影响。
在很靠近壁面的地方，粘性阻尼减少了切向速度脉动，壁面也阻止了法向的速度脉动。
离开壁面稍微远点的地方，由于平均速度梯度的增加，湍动能产生迅速变大，因而湍流增强。
因此近壁的处理明显影响数值模拟的结果，因为壁面是涡量和湍流的主要来源。
实验研究表明，近壁区域可以分为三层，最近壁面的地方被称为粘性底层，流动是层流状态，分子粘性对于动量、热量和质量输运起到决定作用。
外区域成为完全湍流层，湍流起决定作用。
在完全湍流与层流底层之间底区域为混合区域（Blending region），该区域内分子粘性与湍流都起着相当的作用。
近壁区域划分见图4－1。
图4－1，边界层结构第一节，壁面函数与近壁模型近壁处理方法有两类：第一类是不求解层流底层和混合区，采用半经验公式（壁面函数）来求解层流底层与完全湍流之间的区域。
采用壁面函数的方法可以避免改进模型就可以直接模拟壁面存在对湍流的影响。
第二类是改进湍流模型，粘性影响的近壁区域，包括层流底层都可以求解。
对于多数高雷诺数流动问题，采用壁面函数的方法可以节约计算资源。
这是因为在近壁区域，求解的变量变化梯度较大，改进模型的方法计算量比较大。
由于可以减少计算量并具有一定的精度，壁面函数得到了比较多的应用。
对于许多的工程实际流动问题，采用壁面函数处理近壁区域是很好的选择。
如果我们研究的问题是低雷诺数的流动问题，那么采用壁面函数方法处理近壁区域就不合适了，而且壁面函数处理的前提假设条件也不满足。
这就需要一个合适的模型，可以一直求解到壁面。
FLUENT提供了壁面函数和近壁模型两种方法，以便供用户根据自己的计算问题选择。
4.1.1壁面函数FLUENT 提供的壁面函数包括:1，标准壁面函数；2，非平衡壁面函数两类。
标准壁面函数是采用Launder and Spalding [L93]的近壁处理方法。
该方法在很多工程实际流动中有较好的模拟效果。
4.1.1.1 标准壁面函数根据平均速度壁面法则，有：**1ln()U Ey k = 4－1其中，1/41/2*/p pw U C k U μτρ≡，1/41/2*p pC k y y μρμ≡，并且k ＝0.42，是V on Karman 常数；E ＝9.81，是实验常数；p U 是P 点的流体平均速度；p k 是P 点的湍动能；p y 是P 点到壁面的距离；μ是流体的动力粘性系数。
计算流体力学模拟中的边界条件设置技巧
计算流体力学模拟中的边界条件设置技巧计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是一种数值模拟方法，用于研究流体力学现象。
在CFD模拟中，边界条件的设置是至关重要的一步，它直接影响着模拟结果的准确性和可靠性。
本文将介绍一些边界条件设置的技巧，以帮助读者更好地进行CFD模拟。
1. 进行物理实验验证在设置边界条件之前，进行物理实验验证是非常重要的。
通过实验可以获取流体流动的一些基本参数，如速度、压力等。
这些参数可以作为边界条件的参考值，帮助我们更准确地设置边界条件。
2. 确定边界类型在CFD模拟中，常见的边界类型包括入口边界、出口边界和壁面边界。
入口边界用于设定流体的入口条件，出口边界用于设定流体的出口条件，壁面边界则用于设定流体与固体壁面的交互作用。
根据具体问题的不同，我们需要选择合适的边界类型。
3. 设置入口边界条件入口边界条件的设置直接影响着流体的初始状态。
通常情况下，我们需要设定流体的速度、压力和温度等参数。
对于速度，可以根据物理实验结果进行设定；对于压力和温度，可以根据流体的状态方程和热力学性质进行计算。
4. 设置出口边界条件出口边界条件的设置主要是设定流体的出口压力或出口速度。
在CFD模拟中，通常使用压力出口边界条件，即设定出口处的压力值。
这个压力值可以根据物理实验结果进行设定，或者根据流体的流动特性进行估计。
5. 设置壁面边界条件壁面边界条件的设置是CFD模拟中的关键步骤之一。
在模拟中，流体与固体壁面之间存在摩擦力和压力等交互作用。
为了准确模拟这种交互作用，我们需要设置壁面的摩擦系数和热传导系数。
这些系数可以根据物理实验结果进行设定，或者根据流体和固体壁面的性质进行估计。
6. 考虑边界层效应边界层效应是指流体在靠近壁面处的速度和温度分布。
在CFD模拟中，我们需要考虑边界层效应对流动的影响。
通常情况下，我们可以使用壁面函数来模拟边界层效应。
壁面函数可以根据流体的物理性质和壁面的几何形状进行选择。
壁面函数
FLUENT壁面函数的选择2011-10-09 10:22:05| 分类：默认分类|举报|字号订阅壁面函数问题1、无论是标准k—ε模型、RNGk—ε模型，还是Realizable k—ε模型,都是针对充分发展的湍流才有效的，也就是说，这些模型均是高Re数的湍流模型。
它们只能用于求解处于湍流核心区的流动。
而壁面函数是对近壁区的半经验描述，是对某些湍流模型的补充（近壁区对整体流动影响较大和低雷诺数Re的情况），通过壁面函数法和低Re数k—ε模型与标准k—ε模型和RNGk—ε模型配合，成功解决整个整个管道的流动计算问题。
2、在壁面区，流动情况变化很大。
解决这个问题目前有两个途径：一、是不对粘性影响比较明显的区域（粘性底层和过渡层）进行求解，而是用一组半经验的公式（即壁面函数）将壁面上的物理量与湍流核心区内的相应物理量联系起来。
这就是壁面函数法。
在划分网格的时候，不需要在壁面区加密，只需要把第一个节点布置在对数律成立的区域内，即配置在湍流充分发展区域。
如果要用到壁面函数的话，在define---modle--viscous面板里有near wall treatment一项。
可以选择标准壁面函数、不平衡壁面函数等。
二、是采用低Re数的k—ε模型来求解粘性底层和过渡层，此时需要在壁面区划分比较细密的网格，越靠近壁面，网格越细。
当局部湍流的Re数小于150时，就应该使用低Re数的k—ε模型。
总结：相对于低Re数的k—ε模型，壁面函数法计算效率高，工程实用性强。
但当流动分离过大或近壁面流动处于高压之下时，不是很理想。
在划分网格的时候，需要在壁面的位置设置边界层网格，原因也是如此。
====================================================== ============================================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。
FLUENT壁面函数的选择
FLUENT壁面函数的选择壁面函数问题1、无论是标准k—ε模型、RNGk—ε模型，还是Realizable k—ε模型,都是针对充分发展的湍流才有效的，也就是说，这些模型均是高Re数的湍流模型。
它们只能用于求解处于湍流核心区的流动。
而壁面函数是对近壁区的半经验描述，是对某些湍流模型的补充（近壁区对整体流动影响较大和低雷诺数Re的情况），通过壁面函数法和低Re数k—ε模型与标准k—ε模型和RNGk—ε模型配合，成功解决整个整个管道的流动计算问题。
2、在壁面区，流动情况变化很大。
解决这个问题目前有两个途径：一、是不对粘性影响比较明显的区域（粘性底层和过渡层）进行求解，而是用一组半经验的公式（即壁面函数）将壁面上的物理量与湍流核心区内的相应物理量联系起来。
这就是壁面函数法。
在划分网格的时候，不需要在壁面区加密，只需要把第一个节点布置在对数律成立的区域内，即配置在湍流充分发展区域。
如果要用到壁面函数的话，在define---modle--viscous面板里有near wall treatment一项。
可以选择标准壁面函数、不平衡壁面函数等。
二、是采用低Re数的k—ε模型来求解粘性底层和过渡层，此时需要在壁面区划分比较细密的网格，越靠近壁面，网格越细。
当局部湍流的Re数小于150时，就应该使用低Re数的k—ε模型。
总结：相对于低Re数的k—ε模型，壁面函数法计算效率高，工程实用性强。
但当流动分离过大或近壁面流动处于高压之下时，不是很理想。
在划分网格的时候，需要在壁面的位置设置边界层网格，原因也是如此。
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。
Fluent学习笔记之壁面网格与yplus的选择
壁面网格与y+的选择（参考官方手册ANSYS_Fluent_Theory_Guide19.2）大量的实验表明，近壁区域可以大致细分为三层。
在最内层，称为“粘性子层”，流动几乎是层流的，(分子)粘性在动量和热量或质量传递中起主导作用。
在被称为“湍流充分发展层”的外层，湍流起着主要作用。
最后，在粘性子层和湍流充分发展层之间有一个过渡区域，叫做“缓冲层”或“混合区”，在这里分子粘度和湍流的影响是同等重要的其中y+定义为y+≝ρuτy/μ其中uτ定义为uτ=√τw/ρ“壁面函数法”与“近壁模型法”传统的近壁区域建模方法有两种。
在第一种方法中，不解决粘度影响的内部区域(粘性子层和缓冲层)。
相反，被称为“壁面函数”的半经验公式被用来连接壁面和全紊流区域之间的粘滞区域。
使用壁面函数避免了需要修改湍流模型来考虑壁面的存在。
在另一种方法中，对湍流模型进行了修改，使粘滞区通过网格一直到壁面(包括粘滞子层)进行求解。
为了便于讨论，我们将其称为“近壁建模”方法。
这两种方法如图4.14所示。
图4.14: ANSYS Fluent中的近壁面处理所有壁面函数(scalable wall function除外)的主要缺点是在壁面法向网格细化的情况下，计算结果会恶化。
Y+小于15会逐渐导致壁面剪应力和壁面传热的误差增大。
但这已经是几年前的工业标准，ANSYS Fluent已经能够提供更先进的壁面方程，允许一致的网格细化没有恶化的结果。
对所有基于ω方程的湍流模型都采用这种与y+无关的公式。
对于基于ε-方程的模型，Menteri-Lechner和增强壁面处理(Enhanced Wall Treatment, EWT)具有相同的作用。
对y+不敏感的壁面处理也是Spalart-Allmaras模型的默认值，它允许你不用考虑近壁面的y+值而运行此模型。
只有当边界层的整体分辨率足够时，才能得到高质量的边界层数值结果。
这个要求实际上比实现特定的y+值更重要。
des模型壁面函数
des模型壁面函数
壁面函数是在流体动力学中用来描述流体在靠近固体壁面处的速度和剪切应力的函数。
在湍流模拟中，由于计算空间的限制，无法直接模拟整个边界层区域，因此需要使用壁面函数来近似描述边界层内的流动特性。
DES（Detached Eddy Simulation）是一种湍流模拟方法，结合了雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）和大涡模拟（LES）的优点。
在DES方法中，湍流流动被分为两个部分：一个是通过RANS方程求解，用来模拟湍流边界层的粘性效应；另一个是通过LES方程求解，用来模拟湍流边界层的非粘性效应。
在DES模型中，壁面函数起到了关键的作用。
它们用来描述流体在靠近壁面处的速度、剪切应力和湍流涡旋的大小。
常见的壁面函数有三种形式：1. 等度剪切剪切应力壁面函数（Eq. Wall Functions）；2. 弱相对运动率壁面函数（Low-Reynolds-Number Wall Functions）；3. 计算插值壁面函数（Computational Interpolation Wall Functions）。
在DES模型中，通常使用等度剪切剪切应力壁面函数。
这种壁面函数假设在壁面附近存在一个层状区域，该区域内的流动速度与剪切应力的分布呈线性关系。
通过将流体运动方程中的涡粘性项进行近似，可以得到壁面函数表达式。
DES模型壁面函数的具体形式和参数设置会根据具体的模拟问题而有所不同。
一般来说，需要根据流场的湍流强度、网格分
辨率等因素进行合理选择和调整。
在实际应用中，可以通过验证和比对实验数据来评估和改进壁面函数的准确性和适用性。
大涡模拟壁面函数wener
大涡模拟壁面函数wener大涡模拟（LES）是一种高保真度流动模拟方法，适用于计算高雷诺数下的湍流流动，常用于工程应用中的气体和液体流动。
而壁面函数也是LES模拟中一个重要的问题，因为在现实流动中，壁面附近的细节变化对整个流场的影响非常重要。
这篇文章将介绍LES中涉及到的壁面函数wener，以及其特点和应用。
1、壁面函数概述壁面函数是一种通过数学公式来描述流体流经固体壁面附近流动的方法。
在LES计算中，由于涡模拟的栅格大小要比实际物理尺度小得多，因此需要壁面函数来描述栅格内的流动，提高模拟精度。
壁面函数通常包括平均速度和摩擦应力模型，能够模拟近壁区域的速度和摩擦应力分布。
2、wener壁面函数wener壁面函数是一种常用的LES壁面函数，由Popovac和Hanjalic （WEN model)在1989年提出，并在1999年被Weller、Tabor、Jasak等人进行了修正，称为WEN-TAB。
wener壁面函数可以分为两部分：内部和外部。
内部可以用logarithmic函数表示，外部可以用指数函数表示。
wener壁面函数适用于气体和液体流动，可以通过修正来适应不同的流动条件。
3、 wener壁面函数的特点wener壁面函数的主要特点可以总结为以下几点：（1）适用范围广：wener壁面函数适用于各种流动条件，包括气体和液体流动。
（2）高精度：wener壁面函数使用logarithmic和指数函数来表示壁面内外的流动，能够高精度地描述流场中的速度和摩擦应力分布。
（3）易于实现：wener壁面函数的公式比较简单，容易实现，并且可以通过修正来适应不同的流动条件。
（4）计算效率高：wener壁面函数的计算效率高，对模拟结果的影响也比较小，能够提高模拟速度和精度。
4、wener壁面函数在工程应用中的应用wener壁面函数在工程应用中广泛使用，例如汽车、航空、机械等领域的气流模拟，以及海洋、河流等领域的水流模拟。
lbm 壁面函数
lbm 壁面函数
LB还原壁模型（LBMs）是计算流体动力学（CFD）中常用的一种技术。
它是一种基于格子的方法，用于模拟流体在不同壁面上的行为。
壁面函数是在模拟流动中用于处理流体靠近墙壁时的边界条件的一种方法。
LBMs中常用的壁面函数可以分为三类：无滑移壁面函数、局部滑移壁面函数和全局滑移壁面函数。
无滑移壁面函数是指流体在墙壁上的速度与墙壁完全相同，即不存在流体相对于墙壁的滑移。
这种壁面函数通常用于模拟流体与固体物体的接触，比如墙壁或管道。
局部滑移壁面函数是指流体在墙壁上的速度与墙壁之间存在一定的滑移，但滑移速度与墙壁上的切应力有关。
这种壁面函数通常用于模拟流体与粒子之间的相互作用，比如颗粒浆料中的流体与固体颗粒之间的接触。
全局滑移壁面函数是指流体在墙壁上的速度与墙壁之间存在一定的滑移，但滑移速度与墙壁上的切应力无关。
这种壁面函数通常用于模拟流体在微纳尺度上与墙壁之间的相互作用，比如纳米尺度上流体在固体表面的滑移行为。
在LBMs中，选择适当的壁面函数对于准确模拟流体在不同壁面上的行为非常重要。
根据具体的应用需求和模拟对象的特性，可以选择合适的壁面函数来处理流体与墙壁的相互作用，以获得准确的模拟结果。
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2. The total shear stress remain constant over the near-wall control volume.
3. Within the fully turbulent region of the near-wall control volume, the turbulent kinetic energy remains constant.
Within the viscous sublayer, k is again assumed to have a quadratic variation.
The total shear stress, = ( U/ y)- uv, is assumed
$
%
&
&
'
to
vary
linearly
from
8
2. Refinements of the Conventional Wall Function
Chieng-Launder Wall Function
# New Elements.
In order to address some of the issues discussed above, Chieng and Launder allowed for a linear variation of the both the shear stress, , and of the
Consequently in fully-developed pipe and channel flows, the at high Re values, the near-wall flow obeys the log-law.
At low Reynolds numbers, because for a given
Here the U-Momentum equation reduces to :
Since VW < 0 (for suction)
+ / y+ < 0
!
"
!
6
MIXED CONVECTION Here the buoyancy force accelerates the boundary layer flow, leading to :
4. The dissipation rate is inversely proportional the wall distance over the inner region and constant across the viscous sublayer.
5. In three-dimensional flows the velocity direction
d + / dy+ =
/UR=-2(
/UB.D) (
U /2
B
w)0.5
d
+ / dy+ = - 2 Re-1 (
/w
UB2)-0.5
Introduction of Blasius correlation
/ U
w
2
B
0.04 Re-1/4
results in :
remains unchanged between the near-wall node and the wall.
To appreciate how limiting these approximations are, it would be instructive to:
2
Examine the of effect the departure from the uniform stress Identify under what circumstances some of the other assumptions no longer apply. Departures from uniform-stress behaviour. In fully developed internal flows, such as pipe or channel flows, the total shear stress (viscous + turbulent) varies linearly from w at the wall to zero at the symmetry axis, or plane. This may be readily shown for pipe flow as follows.
CONTENTS 1. Limitations of Conventional Wall Functions. 2. Refinements of the Conventional Wall Function. 3. Advanced wall functions.
3.1 The Analytical Wall Function. 3.2 The Numerical Wall Function. 4. Concluding Remarks.
U- Momentum Equation for fully developed conditions :
Integration, w.r.t. r, with = w at r = R and =0 at r = 0, then leads to :
= w r / R = w (R-y)/R
3
At high mean flow Reynolds numbers
(Re ¡
UB.D/ ¢
)
the
viscous
sub-layer
is
thin
enough
for the reduction in shear stress across it to be
negligible.
The approximation of uniform stress in the inner region is thus reasonable.
4
This reduction in shear stress is more conveniently
expressed in terms of d¦ +/dy+. Where ¥
¦
+¨
§ ¥
/ w. ©
©
Since :
= w (R-y)/R
d + / dy = - 1 / R
1
1. Limitations of Conventional Wall Functions.
The conventional wall functions introduced in the earlier lecture rely on the following assumptions:
1. Near-wall velocity obeys the log-law.
This causes a departure from the uniform shear stress condition/
This in turn leads to deviations from the log-law. In terms of wall co-ordinates (y+) the viscous sub-layer becomes thicker.
SEPARATED AND IMPINGING FLOWS
In both the above flows the near-wall velocity in the re-circulation, re-attachment and stagnation regions, would no longer obey the log-law.
value of y+ ( yU / ), the physical distance, y,
£
¤
¢
becomes greater, the thickness of the viscous sub-
layer increases.
The percentage reduction in shear stress across the sub-layer therefore increases.
$
turbulent kinetic energy, k, across the near-wall cell.
As shown in the diagram, the linear variation of k is obtained frthe nearwall node, P, and the one next to it, N.
d + / dy+ = - 10 Re -7/8
Since for Re > 10,000 the mean velocity follows the log-law, it can be concluded that departures from the uniform stress limit are caused when :
Current Practice and Recent Developments in Wall Functions II