本算例演示在STAR CCM+中模擬計(jì)算風(fēng)扇的基本過程。

1 問題描述

計(jì)算幾何如下圖所示。風(fēng)扇包含20個(gè)等間距的以2000 RPM的速度旋轉(zhuǎn)的葉片，風(fēng)扇其他部分保持靜止。空氣以5 m/s的速度從進(jìn)氣口進(jìn)入到計(jì)算區(qū)域中，并從出口邊界離開。

算例先用運(yùn)動(dòng)參考系模型進(jìn)行計(jì)算，后面轉(zhuǎn)為剛體運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算。

2 STAR CCM+設(shè)置

• 啟動(dòng)STAR CCM+并新建Simulation

2.1 準(zhǔn)備文件及網(wǎng)格

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

• 右鍵選擇模型樹節(jié)點(diǎn) Operations，點(diǎn)擊彈出菜單項(xiàng) Execute All生成計(jì)算網(wǎng)格

生成網(wǎng)格如下圖所示。

注：案例中對(duì)進(jìn)出口區(qū)域進(jìn)行了拉伸延長(zhǎng)。

”

2.2 選擇物理模型

• 右鍵選擇模型樹節(jié)點(diǎn) Physics 1，點(diǎn)擊彈出菜單項(xiàng) Select Models… 打開模型選擇對(duì)話框

• 在彈出的對(duì)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(duì)話框如下圖所示。

2.3 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)參考系

• 鼠標(biāo)右鍵選擇模型樹節(jié)點(diǎn) Motion，點(diǎn)擊彈出菜單項(xiàng) New → Rotation

• 如下圖所示指定旋轉(zhuǎn)軸方向?yàn)?*[0,0,1]** ，其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置

• 選中節(jié)點(diǎn) Rotation Rate，指定旋轉(zhuǎn)速度為 2000 RPM

• 選中節(jié)點(diǎn) Regions > Rotating > Physics Values > Motion Specification node，指定 Reference Frame為 ReferenceFrame for Rotation

2.4 設(shè)置初始條件

• 進(jìn)入模型樹節(jié)點(diǎn) 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(dòng)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(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)的壁面速度不需要更改，參考系會(huì)自動(dòng)定義其運(yùn)動(dòng)速度。

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

• 指定節(jié)點(diǎn) under-shaft > Physics Conditions > Tangential Velocity Specification的方法為 Rotation Rate

• 指定壁面轉(zhuǎn)速為 2000 rpm

2.6 設(shè)置計(jì)算參數(shù)

• 選擇模型樹節(jié)點(diǎn) Solvers > Segregated Flow > Velocity > Under-Relaxation Factor Ramp ，指定 Ramp Method為 Linear Ramp

• 選中節(jié)點(diǎn) Linear Ramp，設(shè)置 Initial Value為 0.5

• 相同方式設(shè)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(jié)點(diǎn)AMG Linear Solver，設(shè)置Convergence Tolerance為0.05

2.7 查看計(jì)算結(jié)果

• 創(chuàng)建Section Plane，指定其為Z平面，如下圖所示

• 創(chuàng)建Vector及Scalar，并添加上面創(chuàng)建的Section Plane

2.8 監(jiān)測(cè)物理量

• 右鍵選擇模型樹節(jié)點(diǎn) Reports，點(diǎn)擊彈出菜單項(xiàng) New Report > Metrics > Surface Average，如下圖所示創(chuàng)建面監(jiān)控

• 為該節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建監(jiān)控

2.9 進(jìn)行計(jì)算

• 點(diǎn)擊菜單 Solution → Run進(jìn)行計(jì)算

2.10 計(jì)算結(jié)果

• 入口面上壓力隨迭代的變化，在550次迭代后達(dá)到穩(wěn)定

• 切平面上矢量分布

• 切平面上速度分布

3 改用瞬態(tài)計(jì)算

• 點(diǎn)擊菜單 File → Save as…另存文件fan_unsteady.sim

3.1 激活瞬態(tài)計(jì)算及剛體運(yùn)動(dòng)

• 右鍵選擇模型樹節(jié)點(diǎn) Physics 1，點(diǎn)擊彈出菜單項(xiàng) Select Models… 打開模型選擇對(duì)話框

• 取消選項(xiàng) Steady，選擇選項(xiàng) Implicit Unsteady

選擇完畢后如下圖所示。

• 選擇模型樹節(jié)點(diǎn) 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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000 rpm，旋轉(zhuǎn)一圈需要0.03 s。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，一般建議每個(gè)時(shí)間步旋轉(zhuǎn)1°，因此可以估算時(shí)間步長(zhǎng)為0.03s/360=8.333e-5 s。本算例計(jì)算3圈，即總的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為0.09 s。

”

• 指定最大計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為 0.09 s

• 取消激活選項(xiàng) Maximum Steps，如下圖所示

• 創(chuàng)建求解歷史，如下圖所示

• 切面上速度云圖隨時(shí)間變化

• 切面上壓力云圖隨時(shí)間變化