【Star-CCM+中文教程】01-三通管冷热流体仿真案例

作者 | Tsinglin  

文章来源 | CFD学习与应用

01 学习内容

• 熟悉Star-CCM+基本操作流程

• 熟悉几何建模基本操作

• 熟悉网格划分基本操作

• 熟悉可视化求解设置基本操作

• 熟悉后期处理结果基本操作

02 案例概述

案例采用Fluent教程经典模型冷热水混合三通管模型，如下图所示。

03 模型准备

3.1 几何建模

• 启动STAR-CCM+，点击菜单【文件】【新建】或直接点击如下图所示快捷键，弹出设置对话框，如下图所示保持默认设置，点击【确定】按钮新建仿真

• 右键单击【几何】→【3D-CAD】模型节点，选择新建，进入3D-CAD环境

• 右键单击【特征】→【XY】平面节点，选择创建草图

• 在【显示选项】面板中单击如下图图标，设置格栅大小，格栅间距为20mm，精细网格分隔数为4

• 在【创建草图实体】面板中单击如下图图标，绘制直线

• 鼠标单击原点，如图所示，依次单击鼠标左键，绘制如下矩形。终止直线绘制通过按键盘【Esc】

• 鼠标选中原点位置的点，右击选择【应用固定约束】，防止后续设置长度时，图形跑偏。

• 鼠标单击第一段直线，右击选择【应用长度尺寸】，弹出下图对话框，输入目标尺寸长度350mm

• 最终草图如下所示

• 单击左侧面板中的【确定】按钮，退出草绘窗口

• 鼠标右击【Sket..】选择【旋转】，弹出旋转设置面板

• 在旋转设置面板中，将【角】选项改为360度，使其旋转一整周，单击【确定】

• 鼠标右击【ZX】平面，选择【参考几何】【通过变换…】

• 设置【z】方向距离为300mm，生成一个【Plane1】节点

• 鼠标右击【Plane1】选择【创建草图】

• 在【显示选项】中鼠标单击如下图标，正视草绘平面

• 在【创建草图实体】中鼠标单击如下图标，激活圆绘制功能

• 鼠标单击坐标原点位置，生成一个圆，选中圆曲线右击，选择【应用半径尺寸】，在弹出尺寸设置对话框中输入圆半径25mm

• 退出草绘窗口，右击【Sketch2】选择【拉伸】

• 在【拉伸】面板中，【方法】选择最高到面，【直到面】鼠标单击图中红色表面，【拉伸方向】选择反转，最高鼠标单击如下图标，正视草绘平面

• 右击参考面选择【隐藏】即可隐藏不想看的对象

• 此时创建三通管的几何模型已经完成，单击【关闭3D-CAD】退出3D-CAD环境

• 右击【3D-CAD Model1】选择重命名，或者选中节点，按F2,对模型重新命名

• 要进行后续网格划分和CFD分析，需将模型传递到几何零部件，右击【三通管】选择新建几何部件，弹出下图对话框，保持默认设置，单击【确定】按钮

• 在结构树窗口新增【零部件】节点，如下图所示

几何零部件用于准备模型的空间表示。按照区域、边界和界面来定义可应用物理条件的计算模型

3.2 定义边界表面

• 单击如下图图标，创建几何场景，用于观看模型

• 点击【零部件】【三通管】【表面】右击面图标选择【根据角度…】,弹出如下图所示对话框，保持默认设置，单击【确定】按钮

• 表面被分成四个面，按之前重命名方法对表面重命名，便于后续求解设置

• 右击【零部件】【三通管】选择分配零部件至区域…

• 弹出面板中，按下图所示选择，选择【三通管】，【为每个零部件表面…】单击【应用】按钮

• 在结构树窗口新增【区域】节点，如下图所示，单击【inlet-cool】，在属性面板中，【类型】改为【速度进口】，同样的方式将其他边界类型修改对应的类型

边界	类型
Inlet-cool	速度进口
Inlet-hot	速度进口
wall	壁面
outlet	压力出口

04 网格划分

4.1 选择网格生成器

• 右击【几何】【操作】依次按下图所示选择自动网格

• 在自动网格设置面板，选择【三通管】，在【选定】依次选择【表面重构】、【多面体网格生成器】、【棱柱层网格生成器】，单击【确定】按钮

• 在结构树窗口新增【自动网格】节点，如下图所示，未生成网格前显示带感叹号

4.2 网格设置

• 如下图，选择【基础尺寸】节点，在属性窗口设置【基础尺寸】为50mm

• 如下图，选择【目标表面尺寸】节点，在属性窗口设置【尺寸类型】为相对基数的值，【基础百分比】为50，同理，【最小表面尺寸】设置为5

• 如下图，选择【棱柱层数】设置为3层，【棱柱层延伸】为1.2，【棱柱层总厚度】在属性窗口设置【尺寸类型】为绝对，设置为3mm，

 

• 菜单栏单击如下图所示图标，生成体网格，信息窗口显示已完成，网格单元数（cells）为39164个

4.2 网格检查

• 右击显示窗口空白处，选择下图所示【latest surface】显示面网格如下图所示，选择【volume mesh】则可显示体网格

• 在菜单栏选择【网格】【诊断…】，弹出下图对话框，保持默认设置，点【确定】按钮

• 如图所示，在信息窗口显示网格质量信息，其中体积变化率（volume change）值越接近1越好，最小值不能低于10-5，面网格质量（face validity）值越接近1越好，一般要求0.8以上。

05 求解器设置

5.1 定义物理模型

• 右键选择模型树节点【连续体】 → Physics 1，点击弹出菜单项【选择模型…】

• 取消【自动选择推荐模型】，按下图所示选择物理模型，单击【关闭】

• 【Physics1】图标变成蓝色，在【模型】【液体】对水属性进行设置，此案例保持默认设置

5.2 定义区域/边界条件

• 鼠标选择【区域】节点，在属性面板【物理连续体】选择【Physics1】,如图所示

• 鼠标选择【边界】【速度幅值】节点，在属性面板【值】设置为1.5m/s，同理，设置热水进口速度为1m/s

• 鼠标选择【边界】【静态温度】节点，在属性面板【值】设置为293.15k，同理设置热水进口温度为333.15k

• 鼠标选择【边界】【压力】节点，在属性面板【值】设置为0pa

5.3 求解器参数及停止标准设置

• 鼠标选择【求解器】【耦合隐式】节点，在属性面板【库朗数】设置为5

• 鼠标选择【停止标准】【Maximum steps】节点，在属性面板【最大部数】设置为500

5.4 可视化求解设置

• 鼠标右击模型树节点【衍生零部件】【新零部件】【截面】选择【平面…】

• 在创建平面截面窗口，【平面参数】中原点选择（0，0，0），【法向选择】（0，0，1），勾选【没有显示器】，点【创建】在衍生零部件生成一个截面

• 在菜单栏单击下图图标，创建标量场景

• 鼠标单击模型树节点【场景】【显示器】【零部件】选择【编辑…】

• 在弹出对话框中选择【平面截面】，单击【确定】

• 在图形窗口右击蓝色标尺，选择【Temperature】

5.5 运行模拟

• 点击工具栏按钮【运行】，开始计算

06  结果后处理