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基于Fluent UDF的壁面参数 y+ 和U+ 计算

王心安

2月前浏览1261

0. 前言

CFD计算时，需计算U+ 和y+分析壁面附近的速度分布特征，帮助优化流动设计和理解湍流边界层结构。然而商用CFD软件并未直接为用户提供该类功能，本文基于UDF给出了解决方案。

【CFD学习】yplus，y+，边界层理论，壁面第一层网格_yplus计算器-CSDN博客

图 1 u+ vs y+ 曲线

1. $y^{+}$ 和 $U^{+}$ 的计算公式及使用场景

1.1 定义与公式

无量纲壁面距离 $y^{+}$ ：
$y^{+}$ 是描述壁面附近流动特性的无量纲参数，计算公式为：

其中：
$U_{t}$ 是摩擦速度（无量纲速度），计算公式为：
其中， $τ_{w}$ 是壁面剪切应力， $ρ$ 是流体密度。

$y$ 是壁面到计算点的距离。
$ν$ 是流体的动力粘度。

无量纲速度 $U^{+}$ ：
$U^{+}$ 是速度的无量纲形式，计算公式为：

1.2 使用场景

$y^{+}$ 的应用场景：
$y^{+}$ 是湍流边界层分析中的关键参数，用于判断流场中不同区域的流动特性：

$y^{+} < 5$ ：层流底层。
$5 < y^{+} < 30$ ：过渡区。
$y^{+} > 30$ ：对数律区。通过计算 $y^{+}$ ，可以优化网格划分策略，确保在高雷诺数流动中仿真精度与计算成本的平衡。

$U^{+}$ 的应用场景：
$U^{+}$ 用于描述壁面附近速度分布的无量纲形式，帮助分析湍流边界层的速度结构，优化流动设计。

2. 在Fluent中获取 $y^{+}$ 和 $U^{+}$ （UDF使用方法）

在Fluent中，可以通过用户自定义函数（UDF）来计算 $y^{+}$ 和 $U^{+}$ 。以下是一个简化的步骤说明：

2.1 编写UDF代码

通过Fluent的UDF功能，编写C语言代码来实现 $y^{+}$ 和 $U^{+}$ 的计算。代码的主要逻辑包括：

计算壁面剪切应力 $τ_{w}$ ：通过访问壁面单元的剪切应力向量。
计算摩擦速度 $U_{t}$ ：根据壁面剪切应力和流体密度计算。
计算 $y^{+}$ 和 $U^{+}$ ：遍历壁面附近的单元，计算每个单元的 $y^{+}$ 和 $U^{+}$ 。

2.2 编译与加载UDF

将UDF代码保存为 .c 文件。
在Fluent中，通过Define > User-Defined > Memory，指定需要的 UDM 数量（当前UDF需要2 个，分别用于存储 $y^{+}$ 和 $U^{+}$ ）。
图 2 定义用户自定义变量
在Fluent中，通过 Define > User-Defined > Functions > Compile 编译UDF代码。
编译完成后，通过 Define > User-Defined > Functions > Load 加载UDF。

2.3 调用UDF

通过 Define > User-Defined > Execute On Demand 调用UDF函数，计算并输出 $y^{+}$ 和 $U^{+}$ 的结果，可以云图查看UDMI分布，也可以使用x-y plot输出（y+为）与文献值进行对比。

图 3 xy-plot输出

3. 完整UDF源代码（付费部分）

下面的内容为付费内容，购买后解锁。

内容简介：完整UDF源代码

著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载

首次发布时间：2025-05-07

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