壁面处理

在大多数具有实际意义的流体问题中，壁面是一个涡旋源。因此，精确预测整个壁面边界层的流和湍流参数至关重要。

边界层的内部区域可以分成三个子层。在每个方程中，流体具有不同的特性：

• 粘性子层

  接触壁面的流体层以粘性效应为主，几乎为层流。平均流速仅取决于流体密度、粘度、到壁面的距离和壁面剪切应力。

• 对数层

  湍流对数层是粘性效应和湍流效应都占主导地位。

• 缓冲层

  缓冲层是粘性子层与对数层之间的过渡层。

可以使用不同的经验方法对每个子层进行建模。无量纲壁面距离 （请参见 Eqn. (1584)），可以用来定义子层的范围。 $y^{\text{+}}$ 下图将无量纲速度 （请参见 Eqn. (1585)）显示为三个子层间 的函数： $u^{\text{+}}$ $y^{\text{+}}$

Simcenter STAR-CCM+ 提供了以下类型的壁面处理：

高 $y^{\text{+}}$

高 壁面处理等同于传统的壁面函数法。 $y^{\text{+}}$ 此方法使用跨边界层的假设速度、温度和湍流量分布的代数关系，以提供连续体方程的边界条件。壁面函数方法的精度取决于函数中所表达的假设和逼近与实际应用的符合程度。大多数标准壁面函数仅适用于平衡条件。但是，Simcenter STAR-CCM+ 可扩展壁面函数使其包含非平衡效应。

此方法假设近壁网格单元位于边界层的对数层内，即 > 30。 $y^{\text{+}}$ 因此，高 $y^{\text{+}}$ 壁面处理的主要优点是显著节省了近壁网格单元数量。

低 $y^{\text{+}}$

一般情况下，低 壁面处理等效于传统的低雷诺数方法，其中边界层通过精细分层网格求解，并且预测跨壁边界的流量不需要在层流假设范围外进行建模。 $y^{\text{+}}$

但是，出于鲁棒性的原因，Simcenter STAR-CCM+ 不会应用此方法，但当近壁网格单元的质心位于边界层的粘性子层中时，可应用标准壁函数来获取边界条件。

要求解粘性子层，这些模型需要足够精细的网格，且近壁网格单元的位置为： 约为 1。 $y^{\text{+}}$ 此方法带来的计算开销可能非常大，粘性子层可能极薄的大雷诺数流尤为如此。因此，此壁面处理仅适用于低雷诺数流。

全 $y^{\text{+}}$

全 壁面处使用混合壁面函数，对精细网格仿效低 壁面处理，对粗糙网格仿效高 壁面处理。 $y^{\text{+}}$ $y^{\text{+}}$ $y^{\text{+}}$

此外，还借助为中间分辨率网格生成合理结果所需的特征，即壁面网格单元形心位于边界层的缓冲区域内时。因此，此壁面处理适用于范围广泛的近壁网格密度。

双层全 $y^{\text{+}}$

两层全 壁面处理，可用于两层湍流模型，使用的方法与全 壁面处理相同。 $y^{\text{+}}$ $y^{\text{+}}$ 但是，在近壁网格单元的形心上施加湍流耗散率 $\epsilon$ 的特定值，使其与底层湍流模型的两层公式一致。