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CFD 基础、湍流模型与网格划分（Fluent/STAR-CCM+）
CFD 不是“点一下算出彩图”的黑箱——湍流模型选错、边界层网格不够，壁温与局部换热系数能差出一倍还画得很漂亮（但整车机舱的总过芯风量主要由芯体多孔阻力标定、风扇模型与密封泄漏决定，不归湍流模型管）。本课把有限体积法、RANS 湍流模型与网格策略讲透，让你算出的壁温、局部换热系数与换热量经得起试验对标，而不是自我安慰。本课定义域是**已可算几何之上**的网格质量、边界层与 y+；从 CAD 脏数模到可算网格（几何清理、破面缝合、包面 wrap、计算域抽取）见 J2-06。
J2-01 · 仿真分析 CAE / 三维流动与传热 CFD
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课程大纲
学完能做什么
- 能按流动特征（贴壁/分离/自由剪切）选出合适的 RANS 湍流模型与壁面处理
- 能按目标 y+ 反算首层网格高度、配出合格的边界层棱柱网格
- 能做网格无关性研究、用 GCI 量化离散误差
- 能判读残差与守恒量平衡、识别“假收敛”
- 能为机舱/换热器/舱内三类问题定制求解设置
- 能先判断响应量对壁面处理是否敏感（壁温、局部换热系数敏感；多孔介质主导的过芯风量不敏感），据此决定该改湍流模型/网格，还是该回头查阻力标定与泄漏
内容大纲
- 控制方程与有限体积法
- 连续/动量/能量方程与低马赫不可压近似
- RANS：雷诺平均、雷诺应力与“封闭问题”
- 有限体积离散：一阶迎风 vs 二阶迎风、数值扩散
- 压力基求解器（SIMPLE/Coupled）为何适合热流
- 湍流模型选型
- 涡黏假设与两方程模型（k-ε 系列、k-ω SST）
- Realizable k-ε 稳健、SST 抓逆压梯度分离
- 转捩、Spalart-Allmaras 与何时上 SAS/DES/LES
- 模型不是越贵越准，要与网格/边界层匹配
- 壁面处理与 y+
- 壁面律：黏性底层与对数律层
- 壁面函数（y+ 约 30~300）vs 近壁解析（y+ 约 1）
- All y+/增强壁面处理的自适应混合
- 换热系数对 y+ 高度敏感，热问题必须控 y+
- 网格策略与质量
- 六面体/多面体/切割体网格与适用场景
- 边界层棱柱层：层数、增长率、首层高度反算 y+
- 质量判据：偏斜度、纵横比、正交质量、体积突变
- 局部加密与面重构（wrap）在本课只讲已可算几何上的用法与取舍；脏几何处理（破面缝合、水密性、几何清理与包面判据）不在本课给判据，前指 J2-06
- 收敛、误差与验证
- 残差、监测点（质量流/换热量/温度）与守恒平衡
- 假收敛识别：残差平了但监测量还在漂
- 网格无关性与 GCI（Richardson 外推）
- 建模误差 / 离散误差 / 迭代误差的分账
关键公式
Re = ρuL/μ
雷诺数；判层流/湍流、定网格与湍流模型的第一参数
ρ(u·∇)u = −∇p + ∇·[(μ+μ_t)∇u]
RANS 动量方程；湍流影响全塞进涡黏 μ_t，由湍流模型给出
μ_t = ρ·C_μ·k²/ε
k-ε 涡黏；把雷诺应力封闭到湍动能 k 与耗散率 ε
y⁺ = u_τ·y/ν，u_τ = √(τ_w/ρ)
无量纲壁面距离；决定壁面处理方式与首层网格高度
GCI = F_s·|ε_rel|/(r^p − 1)
网格收敛指数；把两套网格的差异折成离散误差带
CFL = u·Δt/Δx
瞬态库朗数；隐式可放宽但时间精度仍受其约束
关键概念
RANS雷诺应力涡黏k-ω SSTRealizable k-ε壁面函数y+边界层棱柱层有限体积法二阶迎风网格无关性GCI
推荐工具与标准
ANSYS Fluent Simcenter STAR-CCM+ OpenFOAM Fluent Meshing / ANSA（前处理网格；本课只用其体网格与边界层棱柱层功能，几何清理、破面缝合与包面 wrap 的操作方法见 J2-06） CoolProp（物性）
ASME V&V 20（CFD 与传热的验证与确认） AIAA CFD 验证与确认指南（G-077） 各主机厂 CFD 建模规范（企业 BKM）
工程案例
某纯电 SUV 项目里两件事被混为一谈。① 机舱过芯风量：第一版冷凝器迎面风速比风洞实测系统性偏高，团队先换湍流模型、再加密边界层，两轮下来风量几乎没动——过芯风量是压差—流量平衡问题（风扇特性曲线与系统总阻力的交点），阻力大头在换热器芯体的多孔介质源项与机舱阻塞/泄漏，两方程模型在 Realizable k-ε 与 k-ω SST 之间切换对总风量通常只有个位数百分比量级的影响；改按「多孔阻力系数是否按本芯体压降标定 → 风扇模型选型 → 密封与泄漏路径是否封对」逐项排查（口径与 J2-02、J3-01 的误区一致），风量才对齐。② 电驱冷板壁温：同一项目里冷板局部壁温与热电偶差出几十摄氏度，这才是对近壁解析真正敏感的响应量——把冷板流道这一局部的 y+ 从几百压到约 1（机舱大域仍用壁面函数/all-y+，全域压到个位数在量产项目不可执行），壁温与局部换热系数才收住。结论：先判响应量对什么敏感，再决定改什么；而且一次只动一个变量，否则因果分不开。
动手做
交付物 · 拿一个换热器/机舱简化几何（本课作业默认拿到的已是可算几何；从 CAD 脏数模到可算几何见 J2-06）：① 配粗、细两套网格并都控到目标 y+；② 分别用 Realizable k-ε 与 k-ω SST 求解，一次只改一个变量，同时记录两类响应量——对壁面处理敏感的（壁温、局部换热系数）与不敏感的（换热器若按多孔介质等效，迎面风速与总压降基本不随模型变）；③ 用 GCI 给出离散误差带，写一页“哪些结论受模型/网格支配、哪些不受”的选型结论。
常见误区
- 图收敛快用一阶迎风，数值扩散把梯度抹平、换热量偏乐观
- 用**标准**壁面函数而 y+ 落在过渡区（约 5~30）——对数律不成立、换热系数失真。要么把 y+ 拉回 30 以上或压到 1 以下，要么改用 all-y+/增强壁面处理（但缓冲层仍是三段里精度最低的一段，不是免死金牌）
- 只看残差降到 1e-3 就停，其实监测的换热量还在漂（假收敛）
- 不做网格无关性，把网格误差当成物理结论
- 湍流模型与边界层网格不匹配（上了 SST 却只配壁面函数级网格）
- 把整车机舱过芯风量的偏差归因于湍流模型或 y+：过芯风量由风扇特性曲线、系统总阻力（换热器芯体多孔阻力占大头）与机舱密封泄漏三者决定，先查多孔系数是否按本芯体压降标定、风扇模型选型与漏封（口径同 J2-02、J3-01），两方程模型之间切换一般只有个位数百分比量级的影响。反过来，y+ 落在几百本身并不等于错——30~300 正是壁面函数的合法区间；只有当关心壁温/局部换热系数时才必须把该局部压到 y+ 约 1，整车机舱全域压到个位数在量产项目不可执行
- 一次同时换湍流模型、加密边界层、又改网格量，最后结果对上了也说不清是哪一项在起作用——这门课教的 V&V 与 GCI 的前提就是一次只动一个变量
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