四十七、Fluent近壁面处理技术详解

近壁面处理在湍流计算中的优化与应用


摘要

本文针对选用Fluent作为计算工具时的近壁面处理（NearWall Treatment）优化策略进行详细阐述。重点围绕近壁面物理规律的精确求解，引入壁面函数、增强近壁面处理（Enhanced Wall Treatment）、MenterLechner处理以及\(\omega\)方程等方法，并与标准设置进行比较，旨在提供一整套适用于不同工况的壁面处理决策指南。关键部分包括两层模型、混合函数构建及特殊模型的适用条件，旨在提高湍流边界层流动预测的精度与效率。

1. 引言

在现代工程流体力学计算中，尤其当关注边界层非线性或粘性底层―连续湍流过度区域的特性时，合理的近壁面处理策略至关重要。通过深入剖析现有壁面函数算法的局限性，本文提出采用增强近壁面处理策略，以其对流场不同区域（粘性底层、过渡区至完全湍流）精确建模的能力，增进对湍流物理规律的理解，尤其是对于工况中流动分离、低雷诺数效应以及强制对流等挑战。

2. 近壁面处理策略概览

在实际应用中，壁面函数（Standard Wall Function）因其简化了近壁流入流动的解析描述而被广泛采用，但其通用性存在限制，特别是当目标重点在于粘性底层区域的物理特性时。提出在特定应用情况下，适当采用两层模型结合Enhanced Wall Treatment策略。




2.1 两层模型与混合型壁面函数

该模型依据雷诺数（Rey）将边界层分为粘性底层和完全湍流两部分。对于雷诺数小于200的粘性底层区，使用Wolfstein方程进行精细处理；在雷诺数大于200的完全湍流区，则调用ke或雷诺应力模型加入计算。混合型壁面函数（Enhanced Wall Treatment）则通过对线性律与对数律的灵活组合，有效扩展适用范围至整个近壁面区域。

2.2 混合函数构建

采用定义\(a=0.01\)和\(b=5\)，构建的混合函数根据近壁面\(y+\)值动态选择解表方法。在\(y+=1\)边界条件附近呈现线性状，而接近\(y+=15\)的完全湍流水动规律时则符合对数率特征。混合函数不仅根据\(y+\)值自适应选择湍流规律，减少了参数调优的复杂性，且对雷诺数变化敏感性较弱。

3. 壁面函数与Enhanced Wall Treatment对比

通过Scenario分析，利用Fluent模拟结果对比，实证Enhanced Wall Treatment与Scalable Wall Functions在精度上的显著提升，特别是在关注粘性底层中的流动特性时。相比之下，标准壁面函数在局部误差上较为明显，表明始于粘性底层区域的近壁面处理策略在精度上实现显著增强。

4. MenterLechner近壁处理法

该方法为了解决Enhanced Wall Treatment算法在低雷诺数区域应用时可能出现的不准确拟合问题。采用包含纳米源项的混合函数（\(S_{nearwall}\)），其设计原则上仅在粘性底层区域有效，与对数律区域无缝融合，避免了直接采用低雷诺数模型带来的非平衡问题。

5. \(\omega\)方程与y+不敏感的处理

\(\omega\)方程在求解湍流流动时的一大优势在于，其自动集成了粘性底层和对数律层规律的混合函数，无需额外指定壁面处理方法。这项技术简化了耦合近壁处理的复杂性，同时确保了模型对\(y+\)值的敏感性大大降低。

6. 低阶湍流模型与分布式处理

在探讨分布式近壁面处理策略时，强调Fluent选择 LESES（Large Eddy Simulation）方法所采用的wernerwengle close wall function的独特性——此类方法无需特殊调优，在分布式模型中表现卓越，同时延伸至二维以及三维场景，无须严格理论作为支撑。

7. 推荐设置与决策优化

根据模型需求灵活选择：对于基于\(e\)方程的模型建议优先使用MenterLechner或Enhanced Wall Treatment；对于\(k\omega\)模型，拥有默认的y+不敏感设置，终端用户无需进一步的壁面函数调整；针对使用SpalartAllmaras模型，同样遵循默认的y+不敏感设置。