受壁面限制的湍流流动的近壁面处的处理方法

2013/12/10 9:18:22      点击:

湍流流动受壁面条件的影响很大,平均流动区域由于壁面不光滑而受到影响。
当然,湍流还受到壁面其他的一些影响。在离壁面很近的地方,粘性力将抑制流体切线方向速度的变化,而且流体运动因壁面阻碍从而抑制了正常的波动。但近壁面的外部区域,湍流动能因平均流速的影响而增大,湍流运动加剧。K-e模型,RSM模型,LES模型都仅适用于湍流核心区域(一般都远离壁面),应该考虑怎样使这些模型适用于壁面边界层处的流动。如果近壁面的网格划分足够好,Spalart—Allmaras和加模型可以用来解决边界层的流动。
无数试验表明,近壁面区域可以分成三层区域:粘性底层,过渡层和对数律层。粘性力层是一个紧贴固体壁面的极薄层,流动区域很薄,在这个区域里,粘性力在动量,热量及质量交换中都起主导作用;过渡层处于粘性底层的外面,其中,粘性力作用于湍流作用相当,流动状况比较复杂,很难用一个公式或定律来描述,在工程计算中一般归入对数律层;对数律层处于最外层,其中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,流速分布接近对数律。
在处理壁面区流动时,一般足用一组半经验的公式将壁面上的物理量与湍流核心区内的相应物理量联系起来,即采用壁面函数法。
1.壁面函数法
RNG k-e模型针对充分发展的湍流较有效,也就是说,它是高Re数的湍流模型,用于求解湍流核心区流动时较准确。但在壁面区,流动速度梯度很大,特别是在粘性底层,流动几乎是层流,因此不能用RNG k-e模型来求解这个区域内的流动。解决这一问题的途径目前有两个,一是不对粘性影响比较明显的区域(粘性底层和过渡层)进行求解,而是用一组半经验公式(即壁面函数)将壁面上的物理量与湍流核心区相应物理量联系起来,这就是壁面函数法。另一种途径是采用低面区划分比较细的网格,越靠近壁面,网格要求越细。
本文采用壁面函数法。主要考虑凸轮转子泵内部间隙很小,零点几个毫米,在划分计算域网格时,取的网格本身就很小,又由于动网格区域挺大,导致了计算网格数目多,而且计算过程又是非定常。如果再对固壁面边界层区进行极细网格加密,将大大增加计算量,而且考虑到动网格在壁面附近加密的难度,所以在壁面附近采用壁面函数法。
2.主要参数的计算
2.1动量方程中速度的计算式
在计算过程中,当与壁面相邻的控制体积的节点满足y妗11.225时,流动处于对数律层,此时速度为
U*=1/k*ln(Ey*) (3-27)
当与壁面相邻的控制体积的节点满足y*
2.2能量方程中温度的计算式
动量和能量方程的雷诺相似使得平均温度也服从对数律分布。

 

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