壁面流动 fluent学习笔记

近壁区流动及fluent求解对策

一、边界层

1、边界层（boundary layer）是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层，又称流动边界层、附面层。在这部分区域中，沿着固壁面切向速度由固壁处的0速度发展到接近来流的速度，一般定义为在边界处的流速达到来流流速的99%。在这部分区域中，由于厚度很小，故速度急剧变化，速度梯度很大，流体的粘性效应也主要体现在这一区域中。

2、边界层有层流、湍流、混合流

3、边界层分离

边界层流动从物体表面脱离的现象。二维边界层分离有两种情况，一是发生在光滑物面上，另一是发生在物面有尖角或其他外形中断或不连续处。光滑物面上发生分离的原因在于，边界层内的流体因克服粘性阻力而不断损失动量，当遇到下游压力变大（即存在逆压梯度）时，更需要将动能转变为压力能，以便克服前方压力而运动，当物面法向速度梯度在某位置上小到零时，表示一部分流体速度已为零，成为“死水”，边界层流动无法沿物面发展，只能从物面脱离，该位置称为分离点。分离后的边界层在下游形成较大的旋涡区；但也可能在下游某处又回附到物面上，形成局部回流区或气泡。尖点处发生边界层分离的原因在于附近的外流流速很大，压强很小，因而向下游必有很大的逆压梯度，在其作用下，边界层即从尖点处发生分离。三维边界层的分离比较复杂，是正在深入研究的课题。边界层分离导致绕流物体压差阻力增大、飞机机翼升力减小、流体机械效率降低、螺旋桨性能下降等，一般希望避免或尽量推迟分离的发生；但有时也可利用分离，如小展弦比尖前缘机翼的前缘分离涡可导致很强的涡升力。

二、flunet求解壁面区流动

对于有固体壁面的充分发展的湍流流动，沿壁面法线的不同距离上可将流动划分为壁面区和核心区。核心区是完全湍流区，壁面区又分为：粘性底层、过渡层、对数律层。粘性底层中粘性力占主导，对数律层粘性力影响不明显，流动处于充分发展的湍流状态。

在flunet中， 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。

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、是采用低Re数的k—ε模型来求解粘性底层和过渡层，在这个区域，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，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。

二、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。

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+（关于y+的估算，http://geolab.larc.nasa.gov/APPS/YPlus/这个网站上有计算公式），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。