第四章 湍流流動的近壁處理

1、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)FLUENT講義：第四章講義：第四章湍流流動的近壁處理湍流流動的近壁處理1第四章第四章湍流流動的近壁處理湍流流動的近壁處理壁面對湍流有明顯影響。在很靠近壁面的地方，粘性阻尼減少了切向速度脈動，壁面壁面對湍流有明顯影響。在很靠近壁面的地方，粘性阻尼減少了切向速度脈動，壁面也阻止了法向的速度脈動。離開壁面稍微遠(yuǎn)點(diǎn)的地方，由于平均速度梯度的增加，湍動能也阻止了法向的速度脈動。離開壁面稍微遠(yuǎn)點(diǎn)的地方，由于平均速度

2、梯度的增加，湍動能產(chǎn)生迅速變大，因而湍流增強(qiáng)。因此近壁的處理明顯影響數(shù)值模擬的結(jié)果，因?yàn)楸诿媸菧u產(chǎn)生迅速變大，因而湍流增強(qiáng)。因此近壁的處理明顯影響數(shù)值模擬的結(jié)果，因?yàn)楸诿媸菧u量和湍流的主要來源。量和湍流的主要來源。實(shí)驗(yàn)研究表明，近壁區(qū)域可以分為三層，最近壁面的地方被稱為粘性底層，流動是層流狀態(tài)，分子粘性對于動量、熱量和質(zhì)量輸運(yùn)起到?jīng)Q定作用。外區(qū)域成為完全湍流層，湍流起決定作用。在完全湍流與層流底層之間底區(qū)域?yàn)榛旌蠀^(qū)域（Blendingr

3、egion），該區(qū)域內(nèi)分子粘性與湍流都起著相當(dāng)?shù)淖饔?。近壁區(qū)域劃分見圖4－1。圖4－1邊界層結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié)壁面函數(shù)與近壁模型壁面函數(shù)與近壁模型近壁處理方法有兩類近壁處理方法有兩類：第一類是不求解層流底層和混合區(qū)，采用半經(jīng)驗(yàn)公式（壁面函數(shù)）來求解層流底層與完全湍流之間的區(qū)域。采用壁面函數(shù)的方法可以避免改進(jìn)模型就可以直接模擬壁面存在對湍流的影響。第二類是改進(jìn)湍流模型，粘性影響的近壁區(qū)域，包括層流底層都可以求解。對于多數(shù)高雷諾數(shù)流動問題，采

4、用壁面函數(shù)的方法可以節(jié)約計(jì)算資源。這是因?yàn)樵诮趨^(qū)域，求解的變量變化梯度較大，改進(jìn)模型的方法計(jì)算量比較大。由于可以減少計(jì)算量并具有一定的精度，壁面函數(shù)得到了比較多的應(yīng)用。對于許多的工程實(shí)際流動問題，采用壁面函數(shù)處理近壁區(qū)域是很好的選擇。如果我們研究的問題是低雷諾數(shù)的流動問題，那么采用壁面函數(shù)方法處理近壁區(qū)域就不合適了，而且壁面函數(shù)處理的前提假設(shè)條件也不滿足。這就需要一個合適的模型，可以這就需要一個合適的模型，可以一直求解到壁面。一直求解

5、到壁面。FLUENT提供了壁面函數(shù)和近壁模型兩種方法，以便供用戶根據(jù)自己的提供了壁面函數(shù)和近壁模型兩種方法，以便供用戶根據(jù)自己的計(jì)算問題選擇。計(jì)算問題選擇。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)FLUENT講義：第四章講義：第四章湍流流動的近壁處理湍流流動的近壁處理3面函數(shù)常數(shù)；是時的平均速度大小。cUTyy?Fluent中，當(dāng)選擇了流體介質(zhì)后，就可以根據(jù)流體介質(zhì)的物理性質(zhì)，計(jì)算出分子普朗特?cái)?shù)，熱導(dǎo)子區(qū)厚度，存儲備用。在求解的時候，根據(jù)與已經(jīng)

6、存儲的之間大小關(guān)TyyTy系，判斷是采用線性法則還是對數(shù)法則來計(jì)算壁面溫度或熱流率。WTq???在采用雷諾應(yīng)力模型或雙方程模型時，包括壁面近鄰的控制體的湍動能都要計(jì)??k算，其邊界條件為湍動能在壁面法向方向上梯度為零。湍動能產(chǎn)生項(xiàng)及耗散率是湍動能輸運(yùn)方程的源項(xiàng)組成部分，根據(jù)局部平衡假設(shè)來計(jì)kG算。根據(jù)這一假設(shè)，與壁面毗鄰的控制體種湍動能及其耗散率是相同的。則湍動能產(chǎn)生率為：4－5ppwwwkykCkyUG2141?????????耗散率

7、不需要求解輸運(yùn)方程，直接用如下公式計(jì)算：4－6pppkykC2343???以上所介紹的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)是FLUENT程序的默認(rèn)設(shè)置。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)包含了定常剪切和局部平衡假設(shè)條件，如果壁面有很強(qiáng)的壓力梯度，并且很強(qiáng)的非平衡性，則我們可以選擇非平衡壁面函數(shù)方法。4.1.1.2非平衡壁面函數(shù)非平衡壁面函數(shù)在非平衡壁面函數(shù)方法中，平均溫度的壁面法則與標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)中相同。而對數(shù)分布的平均速度對壓力梯度更加敏感：4－7???????????????yk