Ansys Fluent的wall boundary condition之热边界条件等,Fluent培训、Fluent流体培训、Fluent软件培训、fluent技术教程、fluent在线视频教程、fluent资料下载、fluent分析理论、fluent化学反应、fluent软件下载、UDF编程代做

在各种情况下都会遇到在粗糙表面上流动的流体。除其他外,示例包括飞机表面(特别是由于积冰),船舶,涡轮机械,热交换器和管道系统的表面流动,以及粗糙度不同的地形上的大气边界层。壁面粗糙度会影响壁上的阻力(阻力)以及热量和质量的传递。

如果模拟湍流壁面边界流,其中的壁粗糙度的影响被认为是显著,您可以包括通过孔的表面粗糙度的影响 基准法的最墙修改粗糙度法律的墙式修改您可以使用其他粗糙度模型之一进行结冰模拟。

在粗糙的管道和通道上进行的实验表明,当以通常的半对数比例绘制时,粗糙壁附近的平均速度分布具有相同的斜率()但截距不同(对数律中的加性常数)。因此,针对粗糙度修改的平均速度的壁法则具有以下形式:

(6-11)

在哪里和

(6-12)

其中的粗糙度函数可量化由于粗糙度影响而引起的截距的偏移。

通常,取决于粗糙度的类型(均匀的砂子,铆钉,线,肋,网格线等)和粗糙度的大小。没有适用于所有类型粗糙度的通用粗糙度函数。但是,对于沙粒粗糙度和相似类型的均匀粗糙度元素,已发现与无量纲粗糙度高度(其中物理粗糙度高度和)高度相关。实验数据分析表明,粗糙度函数不是的单一函数,而是根据值采用不同的形式。已经观察到存在三种不同的机制:

流体动力学平稳()

过渡性()

完全粗糙()

根据数据,粗糙度影响在流体动力学平稳状态下可以忽略不计,但在过渡状态下变得越来越重要,在完全粗糙的状态下可以充分发挥作用。

在ANSYS Fluent中,将整个粗糙度方案细分为三个方案,然后使用Cebeci和Bradshaw基于Nikuradse的数据[22]提出的公式  对每种方案进行计算。

对于流体动力学平稳状态():

(6-13)

对于过渡制度():

(6-14)

哪里是粗糙度常数,取决于粗糙度的类型。

在完全粗糙的状态下():

(6-115)

在解算器,给定粗糙度参数,使用相应的式(评估公式6-113,式6-114,或式6-115)。然后,使用公式6–111中的修改后的壁厚 定律来评估壁厚和其他壁函数处的平均温度和湍流量的剪应力。

 代表对数速度曲线的下移,如下图所示:

图6.50:对数速度曲线的下移

对于较大的粗糙度高度和较低的,此向下偏移会导致奇异性。根据湍流模型和近壁处理,ANSYS Fluent中使用了两种不同的方法来避免此问题:

降低粗糙度,降低高度

第一种方法是基于网格细化来重新定义粗糙度高度:

(6-116)

这样可以确保在接近零时也是如此。因此,在这种情况下,对于粗糙壁的网格要求为 ,以保持粗糙度对流的完全影响。

几乎在移动墙

第二种方法基于以下观察结果:仅在水力光滑的壁附近才完全建立了粘性子层。在过渡粗糙度状态下,粗糙度元素比粘性子层稍厚,并开始干扰它,因此在完全粗糙的流动中,子层被破坏,粘性作用可以忽略。下图说明了使用具有紧密堆积的球体层的壁的等效沙粒粗糙度,其平均粗糙度高度代表具有不同形状和大小的峰和谷的技术粗糙度(请参见Schlichting和Gersten [108]):

图6.51:等效沙粒粗糙度的图示

可以假定,粗糙度具有阻塞效应,大约是其高度的50%(请注意,上图显示了三维排列的二维剖视图)。

因此明智的做法是将壁虚拟移动到粗糙度元素高度的50%。这将导致第一个像元中心的校正值:

(6-17)

这给出了由表面粗糙度引起的正确位移。因此,避免了奇点问题,并且可以正确处理细网格。

第二种方法(即虚拟地移动壁)是将所有基于-方程的双方程湍流模型和随后的 基于-方程的湍流模型与标准和标准一起使用时对粗糙壁的默认处理方法。 可扩展墙函数(请注意,与使用标准墙函数相比,建议使用可扩展墙函数):

标准,RNG和可实现- 模型

雷诺应力模型

具有粗糙壁的所有其他模型组合(例如,Spalart-Allmaras模型)对细网格没有特殊的校准,因此使用第一种方法(随着高度的减小而减小粗糙度高度)。

注意:   毛坯墙不能与以下模型组合一起使用:

强化墙处理或Menter-Lechner近墙处理的方程模型

请注意,以下是相关的方程模型:

所有- 模型(即标准,RNG和可实现)

选择了线性压力-应变模型的雷诺应力模型

选择了Realizable k-epsilon选项的分离涡流仿真(DES)模型

选择了Stress-Omega或 Stress-BSL模型的雷诺应力模型

过渡- - 模型

大涡模拟(LES)模型

重要提示:   在使用ANSYS Fluent 14之前,使用基于-方程的湍流模型时,未应用公式6–117所述的偏移。您可以使用以下scheme命令恢复以前的代码行为:

粗糙度参数位于“ 壁”对话框的“ 动量”选项卡中 (请参见图6.49:“马兰戈尼应力”的“壁”对话框),可从“ 边界条件”任务页面中打开(如“ 设置像元区域和边界条件”中所述)。

为了模拟墙面平整度的影响,你必须指定两个粗糙度参数:粗糙高度,和粗糙度常数,。默认的粗糙度高度()为零,对应于光滑的壁。为了使粗糙度生效,您必须为指定非零值。为了获得均匀的沙粒粗糙度,可以简单地将沙粒的高度取为。但是,对于不均匀的沙粒,平均直径()将是更有意义的粗糙度高度。对于其他类型的粗糙度,可以将“等效”沙粒粗糙度高度用于。仅当认为每个表面的高度恒定时,上述方法才有意义。但是,如果粗糙度常数或粗糙度高度不是恒定的,则可以指定轮廓(请参见轮廓)。类似地,可以使用用户定义的函数来定义不恒定的壁粗糙度高度。有关用户定义函数的格式的详细信息,请参见Fluent Customization Manual。

选择合适的粗糙度常数()主要取决于给定粗糙度的类型。确定默认的粗糙度常数(),以便在与- 湍流模型一起使用时,可以再现尼古拉德针对用紧密堆积,均匀的沙粒粗糙度进行粗糙化处理的管道的阻力数据。当要建模的粗糙度与均匀的沙粒相差很大时,可能需要调整粗糙度常数。例如,有一些实验证据表明,对于不均匀的沙粒,肋骨和金属丝网粗糙度,较高的值()更合适。不幸的是,有一个明确的选择指南 对于任意类型的粗糙度不可用。

注意:   粗糙壁制剂的使用壁(的虚拟移优点方程6-117相比减少粗糙度高度)减小(等式6-116)是,它消除了所有的限制相对于啮合壁附近的分辨率,因此可以在任意精细的网格上使用。

如果您选择了附加粗糙度型号可供选择 Spalart-Allmaras湍流或SST在K-ω模型粘性模式对话框。有关更多信息,请参见使用湍流模型中的步骤。启用这些粘性模型之一后,将在“ 动量”选项卡的“ 壁边界条件”面板上的 “ 壁粗糙度 → 粗糙度模型 → 高粗糙度(结冰)”下使用其他粗糙度模型。关于湍流模型的处理的讨论 高粗糙度(结冰)启用中给出了Spalart-Allmaras湍流模型的治疗结冰模拟和对SST模型模拟结冰治疗。这些模型主要是针对结冰应用的仿真而设计和测试的,但是它们也可用于边界层已完全解析且表面粗糙度相对于近壁网格较大的其他应用。

请注意,高粗糙度(结冰) 模型仅对低Re数湍流有效,或需要精细的近壁网格(网格应完全解析边界层)。

图6.52:用于高粗糙度(结冰) 模型的“墙”对话框

您有以下选择:

规定的粗糙度

NASA相关性

申塔尔

ICE3D粗糙度文件

“ 指定的粗糙度”选项与“ 标准粗糙度”模型中的相同 。有关更多详细信息,请参见设置粗糙度参数。

如果选择了NASA Correlation选项,则使用经验性NASA相关性计算表面沙粒粗糙度高度,以结冰气流[110]。沙粒粗糙度高度由以下系数的乘积计算得出:

(6-118)

(6-19)

(6-120)

哪里是自由流速度,是自由流温度,LC是 液体含量(在大多数情况下,水积冰),c为特征长度和。

然后可以从以下公式获得沙粒粗糙度高度:

(6-12)

如果选择“ Shin-et-al”选项,则使用“ Shin and Bond”公式[110]计算表面沙粒粗糙度的经验相关性,该公式将修改NASA相关性(有关变量的说明,请参见NASA Correlation)。以下因素:

(6-12)

其中MVD是液滴的平均直径(液滴直径)。沙粒粗糙度高度的相应值可从以下公式获得:

(6-123)

如果选择了ICE3D粗糙度文件,则将从FENSAP-ICE获取的基于节点的输入文件中读取沙粒粗糙度高度。该文件必须具有格式,并且可以通过File → Read → Profile在Fluent中进行读取。将FENSAP-ICE粗糙度文件读入Fluent后,文件名将出现在下拉列表中。