STAR-CCM+包面的案例
STAR-CCM+的包面技術(shù)
本次來說明如何使用包面從表示進(jìn)氣歧管組件的一套零部件中抽取內(nèi)部流體表面。
在處理新的或不熟悉的幾何時(shí)，運(yùn)行包面數(shù)次以便體現(xiàn)該工具的常規(guī)迭代特性。在每次迭代時(shí)會(huì)包含額外的特性和選項(xiàng)，藉此改進(jìn)結(jié)果包面的總體仿真度。在具備經(jīng)驗(yàn)之后，可使用包面通過一次或兩次迭代獲得滿意的結(jié)果。
幾何如下圖所示：
進(jìn)氣歧管組件由數(shù)個(gè)零部件組成，包括主體、安裝支架、空氣流量傳感器、控制閥和定向流擋板。大多數(shù)零部件處于其原始 CAD 形式，尚未準(zhǔn)備好在CFD分析中使用。
對(duì)于零部件數(shù)量不多的簡(jiǎn)單情況，現(xiàn)實(shí)的解決方案是以手動(dòng)修復(fù)方式刪除不需要的面，然后將其余面拼合在一起形成封閉的體幾何。但隨著零部件數(shù)量和總體復(fù)雜度的增加，手動(dòng)修復(fù)就顯得效率低下。在此情況下可使用包面抽取幾何的高仿真表示。使用表面重構(gòu)中的表示來獲得高質(zhì)量三角劃分，在此基礎(chǔ)上可繼續(xù)使用體網(wǎng)絡(luò)化工具。
在本例中包面處理的內(nèi)容如下：
? 材料厚度
? 開放流體邊界
? 斷開的幾何/凸緣
? 重疊/雙表面
? 相交體（支架）
? 表面孔
? 通道
? 內(nèi)部薄壁面擋板
? 緊密接近體（閥門、傳感器）
這些項(xiàng)目顯示在以下剖面圖中：
包面是一種快速有效地從 CAD 類型幾何中同時(shí)抽取內(nèi)、外表面的處理過程。由于有大量路徑可供選擇，因此成功使用包面需要實(shí)踐。例如，有時(shí)通過微調(diào)一些基本輸入值來處理具體的特性可以對(duì)總體結(jié)果產(chǎn)生重大影響。總之，反復(fù)使用包面會(huì)積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。
展開 STAR-CCM+ Partial Wrapping局部包面建模流程
SIEMENS旗下的STAR CCM+軟件，是汽車行業(yè)使用普遍的CFD專業(yè)分析工具，其便捷的前處理功能、極強(qiáng)的網(wǎng)格兼容能力、強(qiáng)大的并行計(jì)算能力等優(yōu)點(diǎn)，吸引了廣大CFD分析工程師的青睞。本文就STARCCM+軟件的Partial Wrapping局部包面建模流程進(jìn)行詳細(xì)介紹。
一、包面前準(zhǔn)備
1. CAS處理
（1）數(shù)模初始面網(wǎng)格賦予
在ANSA或Hypermesh軟件中處理CAS數(shù)據(jù)，處理成雙層面（內(nèi)面與外面，一般偏移2mm左右，格柵做開口處理），雙層面包括前后保、前擋風(fēng)玻璃、前大燈、翼子板、輪眉、車門等，并生成網(wǎng)格。
（2）面網(wǎng)格導(dǎo)入STAR CCM+
點(diǎn)擊File>Import surface Options出現(xiàn)對(duì)話框，在Import Mode下選框中選Create New Part。注意導(dǎo)入模型的尺寸（米或毫米），如圖1所示。
圖1 導(dǎo)入網(wǎng)格界面
二、包面
1. 孔洞封堵
封堵CAS內(nèi)面四周與車身和地板的縫隙。
2. 包面設(shè)置
（1）點(diǎn)擊Geometry>Operations>Surface Preparation>Surface Wrapper選擇包面，如圖2所示。
圖2 包面設(shè)置
（2）點(diǎn)擊Geometry>Operations>Surface Wrapper勾選Perform Partial Wrapping設(shè)置局部包面，如圖3所示。
展開 飛機(jī)外流場(chǎng)計(jì)算練習(xí)
1：模型準(zhǔn)備（模型系網(wǎng)友提供）
2：導(dǎo)入star-ccm+
3:檢查幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立球形空間域
4：由于對(duì)稱性，切分一半模型
5：由于幾何模型不封閉，需要先進(jìn)行包面處理，設(shè)置相應(yīng)的包面尺寸，去掉默認(rèn)的特征線。進(jìn)行包面處理，網(wǎng)格模型里面選擇包面（star-ccm+的包面功能太強(qiáng)大了，對(duì)復(fù)雜模型的包面處理非常便捷）。
包面圖如下：
6：重新設(shè)置網(wǎng)格尺寸，進(jìn)行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格生成，網(wǎng)格模型選擇：面網(wǎng)格，多面體網(wǎng)格，邊界層網(wǎng)格，其中邊界層網(wǎng)格選6層，1.6的增長(zhǎng)因子，只保留機(jī)身壁面的邊界層網(wǎng)格，其它邊界去掉邊界層網(wǎng)格劃分。
面網(wǎng)格：
體網(wǎng)格：
展開 飛機(jī)外流場(chǎng)計(jì)算練習(xí)
1：模型準(zhǔn)備（模型網(wǎng)友提供）
2：導(dǎo)入star-ccm+
3:檢查幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立球形空間域
4：由于對(duì)稱性，切分一半模型
5：由于幾何模型不封閉，需要先進(jìn)行包面處理，設(shè)置相應(yīng)的包面尺寸，去掉默認(rèn)的特征線。進(jìn)行包面處理，網(wǎng)格模型里面選擇包面（star-ccm+的包面功能太強(qiáng)大了，對(duì)復(fù)雜模型的包面處理非常便捷）。
包面圖如下：
6：重新設(shè)置網(wǎng)格尺寸，進(jìn)行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格生成，網(wǎng)格模型選擇：面網(wǎng)格，多面體網(wǎng)格，邊界層網(wǎng)格，其中邊界層網(wǎng)格選6層，1.6的增長(zhǎng)因子，只保留機(jī)身壁面的邊界層網(wǎng)格，其它邊界去掉邊界層網(wǎng)格劃分。
面網(wǎng)格：
體網(wǎng)格：
6：模型設(shè)定
選擇3維穩(wěn)流，耦合求解器（主要用于高速可壓強(qiáng)耦合流動(dòng)），理想氣體，湍流K-omega模型（適用于尾跡流、混合層流、繞流等）
7：邊界條件
球形域（free stream;flow direction:1,0,0;馬赫數(shù)：0.8）,機(jī)身（wall）,對(duì)稱面：symmetry plane
8:初始條件：
velocity:[200,0,0]m/s
9:設(shè)置阻力系數(shù)與升力系數(shù)等參數(shù)
10：求解控制
coupled implicit:courant number:1
Maximum steps:1000
展開 
CFD 方法的汽車空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化
幾何清理完成后首先劃分簡(jiǎn)單面網(wǎng)格, 然后將其導(dǎo) 入 STAR CCM+中進(jìn)行包面處理得到質(zhì)量較高的面網(wǎng)格, 然后生成體網(wǎng)格并檢查排除掉無效的網(wǎng)格單元。
仿真模型的體網(wǎng)格采用 Trimmer 網(wǎng)格。其中, 風(fēng)道 的體網(wǎng)格單元為 308 萬個(gè), 蒸發(fā)器芯體的體網(wǎng)格單元為 5 萬個(gè), 鼓風(fēng)機(jī)的體網(wǎng)格單元為 255 萬個(gè), 共計(jì) 569 萬 個(gè)網(wǎng)格單元。網(wǎng)格劃分后根據(jù)空調(diào)風(fēng)道的性能參數(shù)和使 用條件進(jìn)行邊界條件的設(shè)置[5] 。
2. 2 計(jì)算設(shè)置
鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為滯止入口 ( Stagnation Inlet)。由于蒸發(fā)器芯體包含百葉窗翅片結(jié)構(gòu), 在模擬蒸發(fā)器的 壓損和傳熱過程時(shí), 可以將蒸發(fā)器 芯 體 簡(jiǎn) 化 為 多 孔 介質(zhì)[6] 。
根據(jù)汽車空調(diào)風(fēng)道中空氣流體的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的 模擬方法和模型, 通過雷諾時(shí)均方程模擬, 選擇 SST k-ω 湍流模型, 其計(jì)算所需的物理模型的選擇如圖 2 所示。
2. 3 流動(dòng)分析
2. 3. 1 鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口
圖 3 為風(fēng)道 Y 向截面上的壓力分布云圖, 可以看出 鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處上下兩側(cè)尖角部分壓力較大, 即出風(fēng)口 處結(jié)構(gòu)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)的阻礙作用大。
查看其速度分布圖可以清晰地觀察流動(dòng)情況, 如圖 4 所示, 其黑色代表速度。蒸發(fā)器芯體上部進(jìn)風(fēng)極少, 是因?yàn)楣娘L(fēng)機(jī)出風(fēng)口結(jié)構(gòu)阻擋了鼓風(fēng)機(jī)的出風(fēng), 這會(huì)導(dǎo) 致蒸發(fā)器芯體傳熱利用率低下, 影響空調(diào)性能。
2. 3. 2 風(fēng)道內(nèi)腔
此風(fēng)道設(shè)計(jì)中出現(xiàn)較多截面面積急劇變化的地方。風(fēng)道的截面突變, 彎曲程度過大都會(huì)對(duì)空調(diào)的性能產(chǎn)生 影響[7] 。這是因?yàn)? 截面變小, 氣流的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)加 快[8] 。
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