STAR-CCM+表面检查——仿真模型检查清单

制作一个完整的CFD仿真模型要经历若干步骤,可以按顺序操作,也可以跳跃操作,但总归都是包含几何处理、网格划分、物理模型设置、初始/边界条件设置、求解参数设置、停止条件设置、后处理数据监控/导出/云图显示设置等。

STAR-CCM+将上述步骤都综合整理至一棵清晰明了的特征树中,尽管特征树下也有挺多不易发现的展开项,但是总体结构是非常清晰的,很适合新手快速入门,尤其是网格的自动划分功能,可以省去很多的麻烦。

STAR-CCM+表面检查——仿真模型检查清单的图1

图1 STAR-CCM+的特征树

使用时可以按照特征树由上至下依次进行设置,但是当模型较为复杂,且设置的项目较多时,还是时不时地会不小心忘记或错误设置一些条件,导致提交计算后才发现问题所在,尤其是不得不重新修改几何或者重新划分网格时,总不免懊悔万分,责备自己为什么没有提前察觉到问题。
与其周期性地自我谴责,不如耐心整理一个Checklist,以期一劳永逸。以下内容即根据特征树上各部分特点整理的 Checklist,既警醒自己,也供他人参考。

Geometry

主要功能:创建或导入几何,完成简单的几何编辑,创建几何参数,基于布尔操作提取内外场域,基于Part的网格划分等。

表1 Geometry Checklist

序号

检查项

备注

1

检查导入的Part有没有缺失面

Repair CAD

2

检查相同类型的Part是否进行了Combine或Composite整理

Part最好按类别进行整理及重命名,有利于模型的管理、复用、制作标准的宏脚本

3

检查管路的进、出水表面是否完成分割

Split

4

检查要施加边界条件的表面是否完成分割

Split

5

检查计算时要监测或后处理要提取的表面是否完成分割

Split

6

检查Imprint  Method,确定当前位置应是CAD Imprint还是Discrete Imprint

通常Tolerance初始值可设为1e-6

7

Imprint后检查Contact状态,实际接触的面都应生成相应的Contact

Imprint,如没有生成接触关系,可以试试调整Tolerance

8

Imprint后进行Repair  Surface,检查表面质量

Repair  Surface,有穿刺需要先修复

9

检查Mesher Execution  Mode是否选择Parallel

不选择Thin  Mesher时,支持并行划分网格,否则只能串行

10

检查网格划分的Part是否存在漏选


11

检查Custom  Controls里的设置,如Part选择和控制参数

最常见的三种控制:1.Surface  Control,规定某些面不生产边界层网格;2.Part Control,规定某些零件不生成thin网格;3.Volumetric  Control,细化指定区域的网格

12

进行网格诊断,检查是否有负体积网格或质量较差的网格

菜单栏Mesh >  Diganostics

Continua

主要功能:创建物理模型,定义初始条件。

表2 Continua Checklist

序号

检查项

备注

1

检查物理模型的时间状态是否符合,稳态 or  瞬态

Steady,Implicit  Unsteady

2

检查是否开启了能量方程

固体为Solid  Energy,液体为Fluid Temperature

3

如果有气体自然对流,检查是否考虑了重力或浮升力模型

Gravity,Boussinesq  Model

4

如果模型很复杂,检查是否勾选了网格自适应模型

Cell Quality  Remediation

5

检查物性参数及单位

可以直接读入指定的Material  Database,然后通过Replace With替换

6

如果物性参数是多项式、场函数、Table形式,检查具体参数的设置


7

检查Initial  Conditions中的参数(瞬态才有效)

Static  Pressure,Pressure,Turbulence Specification

Region

主要功能:定义边界及边界条件。

表3 Region Checklist

序号

检查项

备注

1

检查Region零件Properties里的Mesh、Physics、Parts、Type选择是否合理

气体或液体都为蓝色,或者存在多种气体或液体属性时,要仔细区分

2

检查Boundaries是否全面

特别注意Interface面,直接影响能量、动量的传递

3

检查物性是否正确对应

比如冷板对应属性为Al3003

4

检查各项异性的参数是否设置正确

比如锂离子电池不同方向上的导热系数;还需注意坐标系方向,以及模型和坐标系是否有倾角

5

检查热源模型设置是否合理

Energy Source  Option,注意单位

6

检查转动模型设置是否合理

Motion  Specification,比如风扇、水泵等仿真

7

检查流体进、出口边界是否正确设置

Type

8

检查进口参数设置是否合理

比如Mass Flow  Rate,Total Temperature

Interface
主要功能:生成相邻boundaries上的交界面,设置 接触热阻,映射物理量。

表4 Interface Checklist

序号

检查项

备注

1

检查Interface是否和Contact对应,是否全面

需要监测分割面上数据的Part,或者需要在特定位置施加接触热阻,分配到Region时按Boundary-mode生成Interface,而其他Part可以按Contact-mode生成Interface,可以大大节省初始化时间,且便于模型管理

2

Initialize  Interface,创建Mesh Scene检查在交界面上是否有Interface网格生成

如未生成,则返回Geometry检查Contact;如生成的网格有破洞,可试试调整Intersection参数

3

检查Interface的Type设置是否合理

相同属性默认为Internal  Interface;不同属性默认为Contact Interface(接触热阻);耦合仿真默认为Mapped Interface

Derived Parts
主要功能:创建衍生的点、线、面,辅助设置。

表5 Derived Parts Checklist

序号

检查项

备注

1

检查Derived  Parts是否选择到了合理的点、线、面

Point,Line,Plane

2

检查模型是否与坐标系有倾角


3

检查局部坐标系设置是否合理

建议采用在平面上选择三个点的方式创建局部坐标系,不过还是很难做准确

Solvers
主要功能:设置求解参数。

表6 Solvers Checklist

序号

检查项

备注

1

检查Implicit  Unsteady时间步长设置是否合理

与网格尺寸和物理问题相关

2

检查Courant  Number设置是否合理

Coupled flow;Courant  Number表征一个时间步长里一个流体质点可以穿过多少个网格,用来调节计算稳定性和收敛性。由小到大设置,找到合适的值。

Stopping Criteria
主要功能:设置停止条件。

表7 Stopping Criteria Checklist

序号

检查项

备注

1

检查必要的停止条件是否已设置

比如瞬态仿真的Maximum  Physical Time

2

检查非必要的停止条件是否已禁止

比如瞬态仿真的Maximum Steps

3

通过Monitor定义停止条件,检查Maximum或Minimum设置是否合理


Solution Histories
主要功能:记录计算过程。
表8 Solution Histories Checklist

序号

检查项

备注

1

如果创建了Histories,检查文件路径是否为全英文


Reports

主要功能:定义计算过程和后处理的监测量。

表9 Reports Checklist

序号

检查项

备注

1

检查Reports是否全面

温度(最大、最小、差值),流量,对流传热系数,流体进出口温度,系统压降等

2

检查Properties里的Field  Function,Parts是否设置合理


3

检查Properties里的Representation是否为Volume  Mesh


Plots
主要功能:对Reports量进行过程监测,以及监测残差曲线。
表10 Plots Checklist
序号 检查项 备注
1 检查同类型的Reports是否合并为一个Plot
2 检查Plot的坐标轴标题,标签是否合理

Tools

主要功能:扩展基础功能。

表11 Tools Checklist

序号

检查项

备注

1

检查Field  Functions设置是否合理


2

检查Tables是否合理


3

检查要在Scene里显示的Annotations是否创建


4

检查Coordinate Systems创建是否合理


Summary Report
以上模型参数全部设置完成后,在菜单栏点击File > Summary Report > Browser生成所有设置的清单(图2),然后再与表格项逐一对照检查,确保模型无误。

STAR-CCM+表面检查——仿真模型检查清单的图2

图2 Summary Report截图

总结
本文分享了利用STAR-CCM+做CFD仿真时的模型检查清单,由于目前涉及到的仿真范围还比较窄,无法总结的非常全面,但基本的步骤都是涵盖到了的。每次做模型时翻一翻,对照清单检查一遍,总归是有好处的。未雨绸缪总是好于亡羊补牢,这个道理你认同吧?


文章来源:也曾是个少年

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