四十七、Fluent近壁面處理
0. 前言
今天這篇文章，我們介紹一下近壁面處理的方式來求解湍流壁面物理規(guī)律。
前文四十五、四十六及本文四十七這三篇文章可以說是非常詳細而系統(tǒng)的把壁面函數(shù)及相關理論全都介紹了一遍，大家可以參考進行設置。也希望大家能多多轉(zhuǎn)發(fā)，點贊呀，感謝感謝
1. 近壁面處理
前面介紹了壁面函數(shù)的由來及相關的理論，我們已經(jīng)知道，壁面函數(shù)只考慮了對數(shù)律的適用范圍，而完全忽略了粘性底層的影響。
但是對于一些工況，我們所關注的點就是粘性底層物理量的規(guī)律，比如邊界層分離現(xiàn)象，這時候壁面函數(shù)就不再適用了。參考文章四十六Fluent壁面函數(shù)的選取依據(jù)，只要有以下的情況，壁面函數(shù)就不可用了。
很低的雷諾數(shù)流動，如毛細現(xiàn)象
壁面相變問題，如壁面沸騰現(xiàn)象
大壓力梯度導致的邊界層分離現(xiàn)象
?依靠體積力驅(qū)動的流動，如自然對流，浮力等
對于3D模型，邊界層歪斜度較大也不適用壁面函數(shù)
那應該如何處理呢？？？
我們只能回到最初的想法----對邊界層網(wǎng)格進行加密，同時對湍流模型進行修正，使其能夠?qū)φ承缘讓舆M行求解。
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2. Enhanced Wall Treatment
增強近壁面處理方式將兩層模型和增強的壁面函數(shù)結(jié)合，對于壁面粗網(wǎng)格（y+>15，完全湍流區(qū)）和精細網(wǎng)格（y+≈1，粘性底層）都不會產(chǎn)生太大的誤差。
2.1 Two-Layer Model
兩層模型將邊界層劃分為粘性底層和完全湍流層，兩層的分界線用雷諾數(shù)Rey區(qū)分
y為網(wǎng)格中心到壁面的距離。
如果Rey<200，流體處于粘性底層區(qū)，使用Wolfstein一方程求解；如果Rey>200，流體處于完全湍流區(qū)，使用k-e模型或者雷諾應力模型求解。
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增強的壁面處理（Enhanced Wall Treatment）能夠在整個近壁區(qū)域（即粘性底層，緩沖區(qū)和完全湍流外區(qū)域）都適用，這種方式將線性律和對數(shù)律組合在一起，從而擴大模型的使用范圍。
2.2 混合函數(shù)
其中a=0.01，b=5。
當y+很小約等于1時流體處在粘性底層，流動規(guī)律符合線性律。此時混合函數(shù)：
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同理y+≈15時，流體處在完全湍流區(qū)，流動規(guī)律符合對數(shù)律。此時混合函數(shù)：
從上能夠看出，Enhanced Wall Treatment能夠自動根據(jù)y+的值選擇不同的湍流規(guī)律，因此Enhanced Wall Treatment適用于整個湍流區(qū)域，對y+不敏感。但是如果想要研究粘性底層，還是必須要將網(wǎng)格劃分的足夠細才可以。
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注：
Enhanced Wall Treatment適用于所有基于e方程的湍流模型，如k-e模型，雷諾應力模型
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2.3 壁面函數(shù)VS Enhanced Wall Treatment
選用文章四十五的案例，將Standard Wall Functions、Scalable Wall Functions和 Enhanced Wall Treatment進行對比，一側(cè)y+=1，另一側(cè)y+>15。
可以看出，Scalable Wall Functions和 Enhanced Wall Treatment的速度曲線明顯比較接近，而Standard Wall Functions在y+=1一側(cè)，出現(xiàn)了較大的誤差。
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3. Menter-Lechner treatment
有兩種方式可以用來求解壁面邊界層流動，分別是壁面函數(shù)法和低雷諾數(shù)模型。
壁面函數(shù)法文章四十五、四十六進行了詳細介紹，它對y+要求很嚴格；而所謂低雷諾數(shù)模型，就是考慮到粘性底層的流動，要求y+<1，如果y+>=1，則求解不準確。
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這兩種模型對于y+要求苛刻，那么有沒有一種模型能夠?qū)+不敏感呢？？Menter-Lechner treatment就是這樣一種模型。當壁面網(wǎng)格很細，使用低雷諾模型，當壁面網(wǎng)格較粗時，使用壁面函數(shù)。
實際上Enhanced Wall Treatment對y+也不敏感。
上文提到Enhanced Wall Treatment依據(jù)Rey是否大于200將流動區(qū)域劃分為粘性底層和完全湍流層。這種劃分方法存在一些問題：
1）當湍流強度較低時，流體距離壁面較遠，Rey仍然小于200。但Enhanced Wall Treatment方法仍然將這部分流體劃分為粘性底層，這顯然不正確。
2）當流動處于粘性底層時，一方程用于求解湍流規(guī)律，但一方程求解非平衡現(xiàn)象存在問題。
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Menter-Lechner treatment方法就是為了解決Enhanced Wall Treatment在低雷諾數(shù)時出現(xiàn)的問題。門特-萊克納近壁處理在湍流動能的輸運方程中增加一個源項
式中，Snear-wall僅作用在粘性低層中，用于代替低雷諾數(shù)模型。在對數(shù)律區(qū)域內(nèi)，Snear-wall自動變?yōu)榱恪?br/>
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注：
Menter-Lechner treatment方法可用于standard、realizable和RNG k-e湍流模型
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4. ω方程--y+不敏感近壁面處理
所有ω方程都可以對粘性底層進行積分，而不需要像e方程那樣采用兩層模型的方法。因此ω方程默認的就是將粘性底層和對數(shù)律層的規(guī)律通過混合函數(shù)進行混合，從而達到對y+不敏感的近壁面處理。
ω方程將粘性底層與對數(shù)律的混合方法與Enhanced Wall Treatment相同，默認對于近壁面的處理就是這種方式。
混合函數(shù)
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因此對于所有基于ω方程的湍流模型，都不需要考慮近壁面的處理方式，同樣也不需要考慮壁面函數(shù)。
如k-ω模型，Transition k-kl-omega ( 3 eqn )模型等。Fluent中基于ω方程的湍流模型界面都沒有壁面函數(shù)的選項。
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5. LES Near-Wall Treatment
對于大渦模型LES，F(xiàn)luent也提供了一種近壁面處理方式LES Near-Wall Treatment。這種處理方式由Werner和Wengle提出，因此也被稱為werner-wengle wall function。
這種近壁面處理方式并不能通過界面打開。需要在打開LES模型的前提下，在控制面板輸入文本命令：define/models/viscous/near-wall-treatment/werner-wengle-wall-fn?
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注：
LES大渦模型在三維模型可以在Fluent湍流模型界面打開，但是二維模型時，需要輸入文本命令才能打開LES模型。
文本命令：(rpsetvar 'les-2d? #t)
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6. Fluent壁面處理推薦設置
總結(jié)：對于k-e模型和雷諾應力模型，可以選擇壁面函數(shù)，也可以設置近壁面處理；
對于k-ω模型和Spalart-Allmaras，默認方式就是y+不敏感的近壁面處理方式，不需要進行任何設置。
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大家選擇壁面函數(shù)時，推薦使用以下設置：
1)?對于基于e方程的模型，直接使用Menter-Lechner(ML- e)或者Enhanced Wall Treatment。盡量不使用壁面函數(shù)。
2)?對于e方程模型，如果必須使用壁面函數(shù)，那就選擇scalable wall functions
3)?對于k-ω模型，使用默認的y+不敏感的壁面處理方式。實際上所有基于ω方程的湍流模型都是如此，不需要進行任何壁面函數(shù)設置。
4)?對于Spalart-Allmaras模型，使用默認的y+不敏感的壁面處理方式，也不需要進行任何壁面函數(shù)設置。
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