本算例演示在STAR CCM+中模擬計算風扇的基本過程。

1 問題描述

計算幾何如下圖所示。風扇包含20個等間距的以2000 RPM的速度旋轉的葉片，風扇其他部分保持靜止。空氣以5 m/s的速度從進氣口進入到計算區域中，并從出口邊界離開。

算例先用運動參考系模型進行計算，后面轉為剛體運動模型計算。

2 STAR CCM+設置

• 啟動STAR CCM+并新建Simulation

2.1 準備文件及網格

• 選擇菜單 File > Load，在打開的對話框中加載仿真文件 fan_start.sim

• 右鍵選擇模型樹節點 Operations，點擊彈出菜單項 Execute All生成計算網格

生成網格如下圖所示。

注：案例中對進出口區域進行了拉伸延長。

”

2.2 選擇物理模型

• 右鍵選擇模型樹節點 Physics 1，點擊彈出菜單項 Select Models… 打開模型選擇對話框

• 在彈出的對話框中指定以下物理模型
• Three Dimension
• Steady
• Gas
• Segregated Flow
• Constant Density
• Turbulent
• K-Epsilon Turbulent

選擇完畢后的模型對話框如下圖所示。

2.3 創建運動參考系

• 鼠標右鍵選擇模型樹節點 Motion，點擊彈出菜單項 New → Rotation

• 如下圖所示指定旋轉軸方向為**[0,0,1]** ，其他參數保持默認設置

• 選中節點 Rotation Rate，指定旋轉速度為 2000 RPM

• 選中節點 Regions > Rotating > Physics Values > Motion Specification node，指定 Reference Frame為 ReferenceFrame for Rotation

2.4 設置初始條件

• 進入模型樹節點 Continua > Physics 1 > Initial Conditions，如下圖所示指定 Turbulence Specification為 K+Epsilon

• 指定湍流耗散率為 150 m^2/s^3

• 指定湍動能為 1.5 J/kg

2.5 邊界條件指定

此處指定入口處的流體速度。旋轉區域內的壁面速度不需要更改，參考系會自動定義其運動速度。

• 選中模型樹節點 Regions > Blower Surround > Boundaries > Inlet Extrusion.Inlet，指定入口速度為 5 m/s

• 指定節點 under-shaft > Physics Conditions > Tangential Velocity Specification的方法為 Rotation Rate

• 指定壁面轉速為 2000 rpm

2.6 設置計算參數

• 選擇模型樹節點 Solvers > Segregated Flow > Velocity > Under-Relaxation Factor Ramp ，指定 Ramp Method為 Linear Ramp

• 選中節點 Linear Ramp，設置 Initial Value為 0.5

• 相同方式設置Pressure亞松弛因子為Linear Ramp

• 指定 Start Iteration為 1
• 指定 Eend Iteration為 200
• 指定 Initial Value為 0.2

• 選中節點AMG Linear Solver，設置Convergence Tolerance為0.05

2.7 查看計算結果

• 創建Section Plane，指定其為Z平面，如下圖所示

• 創建Vector及Scalar，并添加上面創建的Section Plane

2.8 監測物理量

• 右鍵選擇模型樹節點 Reports，點擊彈出菜單項 New Report > Metrics > Surface Average，如下圖所示創建面監控

• 為該節點創建監控

2.9 進行計算

• 點擊菜單 Solution → Run進行計算

2.10 計算結果

• 入口面上壓力隨迭代的變化，在550次迭代后達到穩定

• 切平面上矢量分布

• 切平面上速度分布

3 改用瞬態計算

• 點擊菜單 File → Save as…另存文件fan_unsteady.sim

3.1 激活瞬態計算及剛體運動

• 右鍵選擇模型樹節點 Physics 1，點擊彈出菜單項 Select Models… 打開模型選擇對話框

• 取消選項 Steady，選擇選項 Implicit Unsteady

選擇完畢后如下圖所示。

• 選擇模型樹節點 Regions > Rotating > Physics Values > Motion Specification，指定 Motion為 Rotation

• 選中 Solvers > Implicit Unsteady，指定 Time Step為 8.3333e-5 s

注：風機轉速2000 rpm，旋轉一圈需要0.03 s。對于旋轉機械，一般建議每個時間步旋轉1°，因此可以估算時間步長為0.03s/360=8.333e-5 s。本算例計算3圈，即總的計算時長為0.09 s。

”

• 指定最大計算時長為 0.09 s

• 取消激活選項 Maximum Steps，如下圖所示

• 創建求解歷史，如下圖所示

• 切面上速度云圖隨時間變化

• 切面上壓力云圖隨時間變化

本案例為STAR CCM+ 2021.3隨機算例。
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（案例結束）

文章來源：CFD之道