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标准k-e模型和RNG k-e模型都是针对充分发展的湍流才有效的,也就是这些模型都是高Re模型。
但是对于近壁区的流动,Re数较低,湍流发展不充分,湍流的脉动影响不如分子粘性大。因此不能采用上述的模型。处理方法有壁面函数法和低Re数的k-e模型。
近壁区流动的特点: 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。对于核心区的流动,我们认为是完全湍流区。 (在此不再做考虑)。
在壁面区,流体运动受壁面流动条件的影响比较明显。壁面区又可以分为3个子层(主要是根据粘性应力和雷诺应力的相对大小划分): 粘性底层 过滤层 对数律层1,粘性底层是一个紧贴固体壁面的极薄层,其中粘性力在动量,能量和质量交换中起主要作用,湍流切应力可以忽略,所以 2,过渡层:其中粘性力和湍流切应力的作用相当,流动状态比较复杂,很难用一个公式或定律描述。由于其厚度较小,工程上一般纳入对数律层。 3, 对数律层:粘性力的影响不明显,湍流切应力占主要地位,流动处于充分发展的湍流状态,流速接近于对数律。
下图的横轴是ln(y+),纵轴是u+。其中,u+表达式中的Ut表示壁面摩擦速度,即 http://image.sciencenet.cn/album/201501/23/174457du4zzm0lycc2dhba.png近壁面函数" TITLE="边界层, 近壁面函数" /> 式中的tw表示壁面剪切应力。
http://image.sciencenet.cn/album/201501/23/165600w0n20hijnwawccp2.png近壁面函数" TITLE="边界层, 近壁面函数" />
在近壁面处,由于边界层很薄,求解变量的梯度很大,不易模拟,但是精确计算边界层对仿真极为重要。 当然,我们可以尝试用很密的网格来解析边界层,但是计算代价太高。
对平衡湍流边界层,使用对数区定律能解决这个问题: 1, 由对数定律得到的速度分布和壁面剪切应力,然后对临近壁面的网格单元设置应力条件。 2, 假设k, e, w在边界层是平衡的。 3, 对于有高压力梯度,分离,回流和滞止流动,不用平衡的壁面函数法,而是用非平衡的壁面函数法。
允许在近壁面使用相对较粗的网格(相比于低Re模型而言), 减小计算代价。
http://image.sciencenet.cn/album/201501/23/212511o80h0u3anpopxy8s.png近壁面函数" TITLE="边界层, 近壁面函数" />
/static/ueditor/themes/default/images/spacer.gif近壁面函数" TITLE="边界层, 近壁面函数" />注:壁面函数实际上是一组半经验公式,用于将壁面上的物理量与湍流区待求的物理量联系起来,这样就可以避免对壁面进行求解,直接求解核心区就可以得出与壁面相邻的控制体节点的变量值。 加强壁面函数的选择 结合了壁面定律和两层区域模型(边界层内外层) 适用于雷诺数流动和近壁面复杂的流动 在边界层内层对K-e模型进行修正。 一般要求近壁面网格能解析粘性底层(y+![]() 对于K-e模型,尺寸化壁面函数假设壁面和粘性子层的边界是一致的。因此流体单元总是在粘性子层之上,这样可以避免由近壁面网格加密导致的不连续性。
K-e模型,SST, S-A模型的近壁面是自动处理的,不能使用尺寸化壁面函数。
1, 对于大多数CFD而言,壁面函数仍是最常用的处理方法。 2, 对于k-e系列的湍流模型,建议使用尺寸化壁面函数。 3, 标准壁面函数对简单剪切流模拟的很好。非平衡壁面函数提高了压力梯度和分离流动的模拟精度。 4, 加强壁面函数用于定数律不适合的更加复杂的流场(例如非平衡壁面剪切层或者低雷诺数流动)。
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