第四章 湍流流動(dòng)的近壁處理

1、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)FLUENT講義：第四章講義：第四章湍流流動(dòng)的近壁處理湍流流動(dòng)的近壁處理1第四章第四章湍流流動(dòng)的近壁處理湍流流動(dòng)的近壁處理壁面對(duì)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(dòng)，壁面壁面對(duì)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(dòng)，壁面也阻止了法向的速度脈動(dòng)。離開(kāi)壁面稍微遠(yuǎn)點(diǎn)的地方，由于平均速度梯度的增加，湍動(dòng)能也阻止了法向的速度脈動(dòng)。離開(kāi)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(dòng)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(lái)源。量和湍流的主要來(lái)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(dòng)是層流狀態(tài)，分子粘性對(duì)于動(dòng)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(jiàn)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(lái)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(duì)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(duì)于多數(shù)高雷諾數(shù)流動(dòng)問(wèn)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(duì)于許多的工程實(shí)際流動(dòng)問(wèn)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(wèn)題是低雷諾數(shù)的流動(dòng)問(wèn)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(gè)合適的模型，可以這就需要一個(gè)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(wèn)題選擇。計(jì)算問(wèn)題選擇。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)FLUENT講義：第四章講義：第四章湍流流動(dòng)的近壁處理湍流流動(dòng)的近壁處理3面函數(shù)常數(shù)；是時(shí)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(chǔ)備用。在求解的時(shí)候，根據(jù)與已經(jīng)

6、存儲(chǔ)的之間大小關(guān)TyyTy系，判斷是采用線性法則還是對(duì)數(shù)法則來(lái)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(shí)，包括壁面近鄰的控制體的湍動(dòng)能都要計(jì)??k算，其邊界條件為湍動(dòng)能在壁面法向方向上梯度為零。湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)及耗散率是湍動(dòng)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(lái)計(jì)kG算。根據(jù)這一假設(shè)，與壁面毗鄰的控制體種湍動(dòng)能及其耗散率是相同的。則湍動(dòng)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(duì)數(shù)分布的平均速度對(duì)壓力梯度更加敏感：4－7???????????????yk