STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)

本算例演示在STAR CCM+中模拟计算风扇的基本过程。

1 问题描述

计算几何如下图所示。风扇包含20个等间距的以2000 RPM的速度旋转的叶片,风扇其他部分保持静止。空气以5 m/s的速度从进气口进入到计算区域中,并从出口边界离开。

STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图1

算例先用运动参考系模型进行计算,后面转为刚体运动模型计算。

2 STAR CCM+设置

  • 启动STAR CCM+并新建Simulation

2.1 准备文件及网格

  • 选择菜单 File > Load,在打开的对话框中加载仿真文件 fan_start.sim
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图2
  • 右键选择模型树节点 Operations,点击弹出菜单项 Execute All生成计算网格
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图3

生成网格如下图所示。

STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图4

注:案例中对进出口区域进行了拉伸延长。

2.2 选择物理模型

  • 右键选择模型树节点 Physics 1,点击弹出菜单项 Select Models… 打开模型选择对话框
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图5
  • 在弹出的对话框中指定以下物理模型
    • Three Dimension
    • Steady
    • Gas
    • Segregated Flow
    • Constant Density
    • Turbulent
    • K-Epsilon Turbulent

选择完毕后的模型对话框如下图所示。

STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图6

2.3 创建运动参考系

  • 鼠标右键选择模型树节点 Motion,点击弹出菜单项 New → Rotation
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  • 如下图所示指定旋转轴方向为**[0,0,1]** ,其他参数保持默认设置
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图8
  • 选中节点 Rotation Rate,指定旋转速度为 2000 RPM
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图9
  • 选中节点 Regions > Rotating > Physics Values > Motion Specification node,指定 Reference FrameReferenceFrame for Rotation
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图10

2.4 设置初始条件

  • 进入模型树节点 Continua > Physics 1 > Initial Conditions,如下图所示指定 Turbulence SpecificationK+Epsilon
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图11
  • 指定湍流耗散率为 150 m^2/s^3
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  • 指定湍动能为 1.5 J/kg
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图13

2.5 边界条件指定

此处指定入口处的流体速度。旋转区域内的壁面速度不需要更改,参考系会自动定义其运动速度。

  • 选中模型树节点 Regions > Blower Surround > Boundaries > Inlet Extrusion.Inlet,指定入口速度为 5 m/s
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图14
  • 指定节点 under-shaft > Physics Conditions > Tangential Velocity Specification的方法为 Rotation Rate
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图15
  • 指定壁面转速为 2000 rpm
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2.6 设置计算参数

  • 选择模型树节点 Solvers > Segregated Flow > Velocity > Under-Relaxation Factor Ramp ,指定 Ramp MethodLinear Ramp
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  • 选中节点 Linear Ramp,设置 Initial Value0.5
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图18
  • 相同方式设置Pressure亚松弛因子为Linear Ramp

    • 指定 Start Iteration1
    • 指定 Eend Iteration200
    • 指定 Initial Value0.2
  • 选中节点AMG Linear Solver,设置Convergence Tolerance0.05

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2.7 查看计算结果

  • 创建Section Plane,指定其为Z平面,如下图所示
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图20
  • 创建Vector及Scalar,并添加上面创建的Section Plane

2.8 监测物理量

  • 右键选择模型树节点 Reports,点击弹出菜单项 New Report > Metrics > Surface Average,如下图所示创建面监控
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  • 为该节点创建监控

2.9 进行计算

  • 点击菜单 Solution → Run进行计算
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2.10 计算结果

  • 入口面上压力随迭代的变化,在550次迭代后达到稳定
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图23
  • 切平面上矢量分布
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图24
  • 切平面上速度分布
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图25

3 改用瞬态计算

  • 点击菜单 File → Save as…另存文件fan_unsteady.sim

3.1 激活瞬态计算及刚体运动

  • 右键选择模型树节点 Physics 1,点击弹出菜单项 Select Models… 打开模型选择对话框
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图26
  • 取消选项 Steady,选择选项 Implicit Unsteady

选择完毕后如下图所示。

STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图27
  • 选择模型树节点 Regions > Rotating > Physics Values > Motion Specification,指定 MotionRotation
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图28
  • 选中 Solvers > Implicit Unsteady,指定 Time Step8.3333e-5 s
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图29

注:风机转速2000 rpm,旋转一圈需要0.03 s。对于旋转机械,一般建议每个时间步旋转1°,因此可以估算时间步长为0.03s/360=8.333e-5 s。本算例计算3圈,即总的计算时长为0.09 s。

  • 指定最大计算时长为 0.09 s
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  • 取消激活选项 Maximum Steps,如下图所示
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图31
  • 创建求解历史,如下图所示
STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图32
  • 切面上速度云图随时间变化

STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图33

  • 切面上压力云图随时间变化

STAR CCM+案例 旋转风扇模拟教程(附百度云)的图34



本案例为STAR CCM+ 2021.3随机算例。
相关文件下载:链接:https://pan.baidu.com/s/1QWubQp_H8mnTTGBSfvgDUA提取码:v0zw



(案例结束)

文章来源:CFD之道

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