[论文解读] Effect of near-wall treatments on airflow simulations

Najla El Gharbi, Rafik Absi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2010

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 7被引用 15

一句话总结

本研究评估了不同壁面处理方法——标准壁面函数、非平衡壁面函数和增强壁面处理——在使用 Fluent CFD 软件进行气流模拟中的影响。针对完全发展通道流（Reτ = 590）和室内气流分布基准案例进行测试，结果表明，增强壁面处理在近壁区域对平均流向速度和湍流动能分布的预测最为准确，在两个测试案例中均优于标准方法。

ABSTRACT

Airflow simulation results depend on a good prediction of near wall turbulence. In this paper a comparative study between different near wall treatments is presented. It is applied to two test cases: (1) the first concerns the fully developed plane channel flow (i.e. the flow between two infinitely large plates). Simulation results are compared to direct numerical simulation (DNS) data of Moser et al. (1999) for $Reτ$ = 590 (where $Reτ$ denotes the friction Reynolds number defined by friction velocity $uτ$, kinematics viscosity $v$ and the channel half-width $δ$); (2) the second case is a benchmark test for room air distribution (Nielsen, 1990). Simulation results are compared to experimental data obtained with laser-doppler anemometry. Simulations were performed with the aid of the commercial CFD code Fluent (2005). Near wall treatments available in Fluent were tested: Standard Wall Functions, Non Equilibrium Wall Function and Enhanced Wall Treatment. In each case, suitable meshes with adequate position for the first near-wall node are needed. Results of near-wall mean streamwise velocity U+ and turbulent kinetic energy k+ profiles are presented, variables with the superscript of + are those non dimensional by the wall friction velocity $uτ$ and the kinematic viscosity ν.

研究动机与目标

• 评估不同近壁处理方法在模拟固体边界附近湍流气流时的准确性。
• 评估标准壁面函数、非平衡壁面函数和增强壁面处理在预测近壁湍流方面的性能。
• 针对 Reτ = 590 的完全发展通道流，将模拟结果与直接数值模拟（DNS）数据进行验证。
• 将模拟结果与 Nielsen（1990）提供的实验激光多普勒测速数据进行比较，以评估室内气流分布基准案例的性能。
• 确定在室内气流应用中实现高精度 CFD 预测的最优近壁处理方法和网格配置。

提出的方法

• 使用商业 CFD 软件 Fluent（2005）对两个测试案例进行模拟：完全发展的平面通道流和一个室内气流分布基准案例。
• 应用三种近壁处理模型：标准壁面函数、非平衡壁面函数和增强壁面处理。
• 采用无量纲变量 U+（以摩擦速度 uτ 归一化的速度）和 k+（以 uτ² 归一化的湍流动能）来比较不同案例的结果。
• 通过将第一个近壁节点放置在每种壁面函数方法合适的 y+ 值处，确保适当的网格分辨率。
• 将结果与高保真度 DNS 数据（Moser 等，1999）在 Reτ = 590 时的结果进行验证，并与 Nielsen（1990）提供的室内气流分布案例实验数据进行对比。
• 通过分析平均流向速度和湍流动能分布，评估各模型在近壁区域的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同近壁处理方法如何影响湍流通道流中平均流向速度预测的准确性？
• RQ2 近壁处理的选择如何影响高雷诺数流动中湍流动能预测的准确性？
• RQ3 在 Reτ = 590 的完全发展通道流中，哪种近壁处理方法与 DNS 数据匹配最接近？
• RQ4 不同壁面处理方法在室内气流分布基准案例中，对实验激光多普勒测速测量结果的再现程度如何？
• RQ5 在室内气流模拟中，实现高精度预测的最优网格分辨率与壁面函数组合是什么？

主要发现

• 在完全发展的通道流中，增强壁面处理对平均流向速度分布的预测最为准确，与 Reτ = 590 时的 DNS 数据高度吻合。
• 在相同的通道流案例中，增强壁面处理对湍流动能分布的预测也最为准确，与 DNS 结果的偏差最小。
• 标准壁面函数在粘性子层和缓冲层区域与 DNS 数据存在显著偏差，原因在于其假设湍流处于平衡状态。
• 非平衡壁面函数在通道流中的准确性优于标准壁面函数，但仍低估了近壁区域的速度梯度。
• 在室内气流分布基准案例中，增强壁面处理生成的速度分布最接近实验激光多普勒测速测量结果。
• 本研究证实，适当的网格分辨率，特别是将第一个近壁节点置于合适的 y+ 值处，对所有壁面处理模型的准确结果至关重要。