粗糙度效应是各工程应用程序中的一个严重问题。即使很小的表面缺陷也可能会在速度场中产生明显干扰,并更改流行为,从而影响产品的性能。在大多数情况下,粗糙度结构过小而无法由网格求解。因此,使用壁面粗糙度模型。
通常,通过将内边界层的对数层靠近壁面来对壁面粗糙度效应建模。Simcenter STAR-CCM+ 提供了两种方法来体现这种效应 - 粗糙和粗糙位移原点。
粗糙
粗糙方法使用数据相关性来计算粗糙度函数
,该函数可减少速度的壁面函数和温度的壁面函数中的对数律偏移
。
粗糙度函数
是粗糙度参数
的函数,定义为:
(1639)
其中:
-
是等效的砂粒粗糙度高度和模型系数。
-
为密度。
-
是速度比例。
-
为动力粘度。
粗糙度函数
基于在 [391] 中给出的表达式,并定义为:
(1640)
且:
(1641)
其中:
-
和
是模型系数。
-
和
分别为对应于完全平滑表面和完全粗糙表面的粗糙度参数,是模型系数。
对于
的高值,对数分布可以停止与子层中假定的线性分布相交,如下图所示:
如果此事件在完全粗糙的区域 (
) 中发生,则不会出现问题,因为子层不相关。如果这些曲线不与过渡粗糙度区域 (
) 相交,则 Simcenter STAR-CCM+ 使用对数分布,条件是
必须从未小于零。
对于所有湍流模型(只要使用默认壁面处理),如果粗糙度高度大于壁面相邻网格单元的壁面距离 (
),此建模方法在物理上就没有意义。在这种情况下,Simcenter STAR-CCM+ 会限制局部粗糙度高度,并将其设为等于壁面相邻网格单元的壁面距离 (
)。
粗糙位移原点
粗糙位移原点方法使用名为原点位移的模型([389]、[393])。此模型将使粗糙度高度上方的边界层原点移位,并对速度、温度、湍流耗散率和比耗散率使用特定的壁面函数。
- 速度
- 对于标准壁面函数,无量纲速度
描述为:
-
(1642)
且:
(1643)
(1644)
其中:
-
为冯·卡门常数。
-
为边界层的有效原点。
-
为边界层的位移原点。
-
由 Eqn. (1584) 给出。
-
是指粘性子层满足对数层求解时所处的点,可使用牛顿-拉夫森法迭代计算。
在 Reichardt 定律修正中,原点位移方法与混合壁面函数结合使用,如下所示:
(1645)
且:
(1646)
其中,
由 Eqn. (1601) 给出。
为确保混合 Reichardt 公式在
,
Simcenter STAR-CCM+ 剪切
时生成合理的速度分布:
(1647)
- 温度
- 对于标准壁面函数和混合壁面函数,无量纲温度
的分布定义为:
(1648) 其中:
是混合函数,定义如下:
(1649)
- 湍流耗散率
- 对于标准壁面函数和混合壁面函数,无量纲湍流耗散率
设为:
(1650) 其中:
(1651) 和:
- 比耗散率
- 对于标准壁面函数和混合壁面函数,无量纲比耗散率
的公式取决于壁面处理,并计算为壁面粗糙度的函数,如 Wilcox [395] 所述:
壁面处理 |
|
低
|
(1652)
|
全
|
(1653)
|
且:
(1654) 和
是 K-Omega 模型 - 模型系数。
模型系数
|
|
|
|
|
|
粗糙 |
0 |
0 |
0.253 |
2.25 |
90 |
粗糙位移原点 |
0 |
- |
- |
20 |
90 |