四十五、壁面函数理论及y+的确定

0. 前言

什么叫做壁面函数,为什么引入壁面函数的概念??

因为流体无论流动,还是传热、传质都存在边界层。而之所以有壁面函数这个东西,根源就在于边界层理论。

1. 边界层理论

大家都知道什么是边界层理论,我们想要理解壁面函数,就必须搞清楚边界层理论的产生对数值计算带来了什么影响???。

边界层分为速度边界层、热边界层和浓度边界层。

速度边界层:当具有粘性的流体,经过壁面附近,流速下降,直接贴附于壁面的流体静止不动的一个薄层。

热边界层:指黏性流体流动壁面附近形成的以温度剧变为特征的流体薄层。

热边界层厚度:

其中δ表示速度边界层的厚度,δt表示热边界层的厚度

浓度边界层:某组分在流体中的浓度与固体壁面的浓度存在差异,则在壁面垂直方向上的流体内部将存在浓度梯度的流体薄层。

浓度边界层厚度

其中δ表示速度边界层的厚度,δc表示热边界层的厚度

2. 近壁面细节捕获

这三种边界层都有一个共同的特点,那就是某个物理量A发生剧变,在边界层内产生非常大的梯度,且越靠近边界层梯度越大。而在边界层外,物理量A与主流中的物理量A值几乎相等,不存在梯度。

为了获得更加精确的计算结果,必须对边界层内的物理量梯度进行非常细节的捕获,如果捕获呢??我们首先冒出来的想法—网格加密

边界层网格加密是一个方式,将边界层网格画的非常密,越靠近边界层网格越密,这样可以捕获更多的细节,同时计算也会更加准确。

但是边界层网格加密存在两个缺点:第一,网格数量大大增加,为了获取更多的细节,需要不断细化网格,计算时间大大加长;

第二,网格质量变差,边界层网格的加密,导致网格的纵横比非常大,甚至达到上百,高纵横比可能会导致计算难以收敛,甚至发散。

3. 湍流边界层的壁面律

有没有一种方法,既不需要划分更多的网格,同时还能捕获更多的边界层细节呢??

于是乎,大佬们想出了这样一种办法。既然边界层内的物理量细节难以捕获,那么直接通过实验获得边界层内这些物理量的变化规律,然后将这些规律直接应用到数值计算不就可以了吗??实际上也确实是这样做的。

通过对边界层的研究,将边界层分为了三个区域,分别为粘性底层(0<y+<5)、缓冲层(5<y+<30)和完全湍流层(y+>30)。

这里用两个无量纲物理量u+和y+来定义边界层内的规律更具有普遍性。
 

u+表示无量纲速度,u表示边界层内流体速度,τw为壁面切应力

y+表示到壁面处的无量纲距离,y表示边界层某点到壁面的距离,v表示流体运动粘度m2/s。

对边界层这三个区域进行了大量的实验,结果表面这三个区域内u+和y+的规律不同。对于粘性底层(0<y+<5),u+与y+近似呈线性关系;对于完全湍流层,u+与y+近似呈对数关系,被称为对数律;对于缓冲层,线性关系曲线和对数律曲线在缓冲层有交点,交点所对应的y+值在11附近。

4. 壁面函数

4.1 壁面函数的概念

既然已经知道边界层内的规律了,那么就不必在边界层内画很密的网格,而直接使用实验规律来计算边界层内的流体流动、传热传质等问题。

Fluent软件提供了一种被称为壁面函数的方式来实现上述的思想。壁面函数是一种半经验公式,被用来连接壁面和完全湍流区域之间的粘性影响区域。

壁面函数以对数律为基础来计算边界层规律,其忽视了粘性底层和缓冲层。因此我们画边界层网格时不能画出粘性底层和缓冲层,而要直接画到完全湍流层。

也就是说使用壁面函数,我们不但不需要在边界层内细化网格,反而必须要保证第一层网格处于对数律能够应用的范围。

我们通常将即y+=15处作为可以使用对数律的分界线,所以第一层网格要保证y+>15。第一层网格大小可以由下式推导:

Fluent使用另一种无量纲速度u*和无量纲距离y*来描述边界层内的规律

u+,y+与U*,y*在湍流边界层中近似相等,我们应用时直接用u+,y+即可。

注:使用壁面函数确实简化了边界层的网格,但是也忽略了粘性底层和缓冲层,因此壁面函数的方法适用于粘性底层数据不重要的求解。

如果我们想要研究的就是粘性底层的数据,如边界层分离现象,那么壁面函数的方法很不适用。Fluent提供了另外一种方式用于求解粘性底层。

4.2 y+的确定

为了留出一定的余量,保证计算结果的准确性,Fluent要求y+必须大于15,如果y+小于15,Fluent就无法保证求解的准确性。y+的下限为15,y+的上限则取决于雷诺数。

对于高雷诺数:如轮船,飞机等,对数律范围扩大,y+上限可以取到几千,减少网格数量

对于低雷诺数:如涡轮叶片等,y+上限可以取到100

对于很低的雷诺数:对数律范围很窄,为了保证y+>15,可能会使边界层网格层数很少,计算结果变差,因此不建议使用壁面函数。

注:相较于纠结y+的选取,边界层的网格层数足够时,能得到更精确的数值结果。

对于非结构网格,边界层网格层数在10-20之间,对于边界层Prism棱柱层网格,要保证边界层内至少15个节点。

4.3 边界层厚度

想要在边界层内画足够数量的网格,需要知道边界层的厚度。如何得到边界层厚度呢?

Fluent提供了一种估算方法。当我们大致划分网格进行计算得到一个求解结果时,可以在后处理查看turbulent viscosity湍流粘度物理量。

Results-Plots-XY plot

在垂直壁面方向画出turbulent viscosity沿垂直壁面方向的曲线图,turbulent viscosity的最大值出现在边界层的中间,最大值出现位置的2倍即为边界层的厚度。

比如下图为文章后源文件案例的湍流粘度,在x=0.01m处达到最大值,可以认为边界层厚度为0.02m。

对于某些特殊工况,边界层厚度也可以由理论公式推导出来

5. 估算边界层第一层网格

最后我们回到最关心的问题,边界层第一层网格如何确定?
当我们在Fluent中选择壁面函数时,必须要保证y+>15。

由此可一步步反推第一层网格高度y的值。式中ρ为流体密度,U为流体主流速度,U∞为流体动力粘度,d为特征长度。

估算雷诺数Re

估算壁面摩擦系数

估算壁面剪切应力

估算

计算边界层第一层网格

以上流程化的东西都可以通过编程实现

进行了一定的验证后发现,似乎是由于Fluent基于有限体积法,因此上述求出的第一层网格高度y实际上只是网格中心到壁面的距离,真正的第一层网格高度应该为此值的2倍。(自己理解,欢迎私信批评指正)下面的程序已进行修正。
 

 

 

© 版权声明
THE END
喜欢就支持一下吧
点赞670 分享
评论 抢沙发
头像
欢迎您留下宝贵的见解!
提交
头像

昵称

取消
昵称表情代码图片

    暂无评论内容