关于CFD计算网格的一些知识（二）

4）壁面和近壁面网格处理原则

在解决流体力学问题时，多采用湍流模型来处理，需要注意的是湍流模型一般是针对充分发展的湍流，一般应用于高 Re 数的流动中。但是，一般近壁区由于黏性的作用，Re数往往并不大，湍流的发展不充分，脉动项不如黏性项的作用大，所以近壁区一般不能用湍流模型来简单处理，需要对近壁区采取特殊处理。在划分网格时就需要注意这一点。

• 壁面边界层

对于有壁面的流动，一般分为近壁区和核心区进行考虑，近壁区主要是未充分发展的湍流，而核心区则是充分发展的湍流。近壁区由于受到壁面的影响，可以分为三个部分：

(1）黏性底层

黏性底层是紧贴壁面的一层极薄的流体，在黏性底层的流动中，能量、质量和动量的交换主要是黏性力的作用，可以忽略湍流切应力，看成是层流流动。在黏性底层平行于壁面分析的速度分量沿壁面法线方向呈线性分布。

(2）过渡层

过渡层是在黏性底层之外对数层之间的一层流体，过渡层中，黏性力和湍流切应力的作用处在同一个量级，流动的情况比较复杂，但是过渡层非常薄，在实际中，过渡层一般作为对数层来处理。

(3）对数层

对数层是近壁区的最外层，黏性力的影响不明显，主要是受湍流切应力的控制，湍流基本处于充分发展的状态，流速的分布接近对数规律。

ANSYS FLUENT处理近壁区的流动时，采用的是壁面函数法，有标准壁面函数法、非平衡壁面函数法和增强壁面函数法，壁面函数法的本质是在黏性底层直接按照半经验公式求解，而在对数层应用湍流模型来求解。

(1）标准壁面函数法

标准壁面函数法利用对数校正法提供了必需的壁面边界条件。

优点：

应用广泛、计算量较小，适用性更强，精度较高。

缺点：

适用于高Re数的流动，对低Re数流动适应性较差，不适用于大压力梯度、大体积力、低 Re 数、高速三维流动、高度蒸腾等问题。

(2）非平衡壁面函数

非平衡壁面函数法可以用来改善高压力梯度、分离、再附着等情况。

优点：

考虑了压力梯度，可以计算分离、再附着、撞击等问题。

缺点：

对于低Re数、较强压力梯度、强体积力、强三维性的问题不适用。

(3）增强壁面处理

增强壁面处理的方法把混合边界模型和两层边界模型结合起来，对低Re数流动或者复杂近壁流动现象比较合适，湍流模型在内层上得到了修正。

优点：

不依赖壁面法则，对于复杂壁面流动，低 Re 数流动非常合适。

缺点：

要求网格细密，占用计算机资源大。

总的来说，一般高 Re 数流动选用标准壁面函数法和非平衡壁面函数法即可较好地解决问题，而对于低Re数和复杂近壁区流动的问题则选取增强壁面函数法可以较好地解决问题。

• 近壁区网格处理