STAR CCM 案例|齿轮甩油
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本案例演示了利用STAR CCM 中的MMP-LSI模型模拟齿轮润滑的基本流程。
混合多相模型(Mixture Multiphase Model,MMP)适用于模拟分散的多相混合,其中相混合由加权物理性质来表示,求解混合物的质量、动量和能量守恒方程,以及相体积分数的输运方程。
大尺度界面检测(Large Scale Interface,LSI)模型检测包含相间大尺度界面的网格。通过使用LSI模型,MMP的能力不仅扩展到混合流模型,而且还扩展到分层流模型。这两种模型的组合,也称为MMP-LSI,可以捕获不同的共存流型,如自由表面流、分散液滴和分散气泡。MMP相相互作用不需要固定的分散相与连续相。在计算域的某些部分,主相可以为分散相,而在另一部分,次相可以分散相。
MMP-LSI允许以更高的CFL数模拟多相应用,如蒸发器、输油管道或核应用,也就是说,允许在相界面附近有更大的时间步长和更粗的网格,而不会对结果的准确性有很大的影响。
1 问题描述
案例计算模型如下图所示。
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171839054_8izo9z.jpg?imageView2/0)
两个高速反向旋转的相互啮合的齿轮位于油槽中。在模拟开始时,油相填充计算域的下半部分,空气相填充域的上半部分。这两相是分开的。齿轮的快速旋转会产生油滴和气泡的混合物。
计算域为一个不包含流动边界的封闭系统。齿轮的运动采用重叠网格进行指定。齿轮与重叠的背景网格边界连接。油和空气被模拟为不可压缩的液体和气体。多相混合物采用MMP-LSI和ADIS格式对尖锐界面进行模拟。
2 STAR CCM 设置
- 利用菜单File > Load打开初始仿真文件gearpump_start.sim
计算模型如下图所示。
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171841340_4mitdn.jpg?imageView2/0)
- 右键选择模型树节点Geometry > Operations > Automated Mesh (2D),点击弹出菜单项Execute进行网格划分
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171836977_pf98am.jpg?imageView2/0)
计算网格如下图所示。
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171835224_zqn7ra.jpg?imageView2/0)
2.1 选择物理模型
使用混合多相模型对油和空气的非定常湍流多相流进行建模。在本案例中,油和空气两相既可以作为分散相混合物存在,也可以作为分离相存在。要考虑此行为,需要激活大尺度界面检测(LSI)。LSI识别包含两相之间尖锐界面的网格带。自适应界面锐化(ADIS)方法是一种体积分数对流项的离散格式,在大尺度界面附近使用高分辨率界面捕捉(HRIC)格式,在远离大尺度界面的地方使用标准总变差减小(TVD)格式。大尺度界面由两个网格层组成。
- 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
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171834522_95zayd.jpg?imageView2/0)
选择完毕后的物理模型对话框如下图所示。
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171853243_rwwl7x.jpg?imageView2/0)
- 选中模型树节点Physics 1 > Models > Mixture Multiphase (MMP),设置Convection为Adaptive Interface Sharpening(ADIS)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171854911_ir6lsn.jpg?imageView2/0)
- 选中节点Large-Scale Interface Detection,指定参数Number of Cell Layers for Interface Band为2
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171836041_54vims.jpg?imageView2/0)
2.2 定义油相与空气相
- 右键选择模型树节点Physics 1 > Models > Multiphase > Eulerian Phases,点击弹出菜单项New创建新节点Oil
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171842719_pwrmt0.jpg?imageView2/0)
- 右键选择新创建的节点Oil,点击弹出菜单项Select Models… 打开模型选择对话框
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171842061_atb723.jpg?imageView2/0)
- 弹出对话框中选择Turbulent、Liquid及Constant Density,如下图所示
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171837370_r5hsqe.jpg?imageView2/0)
- 右键选择节点Eulerian Phases > Oil > Models > Liquid > H2O,点击弹出菜单项Rename… 修改节点名称为Oil
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171843854_rbpbqa.jpg?imageView2/0)
- 鼠标双击模型树节点Eulerian Phases > Oil > Models > Liquid > Oil > Material Properties
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171839785_eumh69.jpg?imageView2/0)
- 相同方式创建另一相Air,选择Turbulent、Gas及Constant Density,如下图所示
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171839403_wdf7tm.jpg?imageView2/0)
2.3 设置相间相互作用
- 在如下图所示的对话框中,右键选择模型树节点Phase Interactions,点击弹出菜单项New → Oil → Air新建相间相互作用,命名新建的节点为Oil-Air
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171843034_m5jmph.jpg?imageView2/0)
- 选中节点Oil-Air,选择选项Interaction Length Scale Model及Slip Velocity
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171841713_uuj4wp.jpg?imageView2/0)
- 如下图所示,选中模型树节点Multiphase Interaction > Phase Interaction > Oil-Air > Models > Interaction Length Scale Model > Primary Regime Interaction Length Scale,设置参数值为1e-4 m
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171840169_qeq3fd.jpg?imageView2/0)
- 选中节点Secondary Regime Interaction Length Scale,设置参数值为1e-5 m
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171843421_2cikdj.jpg?imageView2/0)
主区域相互作用长度尺度指定了分散在空气中的油滴的典型尺寸。次区域相互作用长度尺度指定了分散在油中的气泡的典型尺寸。数值的选择还取决于网格大小,因为比网格大的液滴或气泡可以被视为大尺度界面,不再分散。建议使用比油低至少一个数量级的空气液滴值。
2.4 指定初始体积分数分布
初始文件中已经定义了场函数Initial Volume Fraction Air及Initial Volume Fraction Oil,用于定义初始化体积分数分布。
其中Initial Volume Fraction Air如下图所示进行定义,表示Y坐标大于0的空间体积分数为1。
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171852838_8bdwbg.jpg?imageView2/0)
- 选中节点Physics 1 > Initial Conditions > Volume Fraction,指定Method为Composite N-1
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171853653_szw80m.jpg?imageView2/0)
- 如下图所示,设置Oil的体积分数为Initial Volume Fraction Oil
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171834887_72yeoy.jpg?imageView2/0)
2.5 指定滑移速度方法
处理混合多相模拟时,通常建议使用drag-based slip方法。该方法考虑了基于体积力的相间速度差异。激活 drag-based slip时, STAR-CCM 将应用Schiller-Naumann阻力系数法。
- 同时选中区域Background 、Big_Gear、Small Gear下的节点Physics Conditions > Oil-Air > Physics Conditions > Slip Velocity Method并设置 Option 为Drag-Based Slip
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171854566_gq17dz.jpg?imageView2/0)
2.6 指定旋转
- 右键选中模型树节点Motions,点击弹出菜单项New → Rotation新建节点,命名为Small Gear Rotation
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171837671_n211qm.jpg?imageView2/0)
- 选中节点Small Gear Rotation > Rotion Rate,指定旋转速度为36.62191429188093 rad/s
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171842413_565u9u.jpg?imageView2/0)
- 相同方式创建另一个运动,命名为Big Gear Rotation,如下图所示指定其角速度
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171836586_hcpnex.jpg?imageView2/0)
- 如下图所示,指定小齿轮的转动方式为Small Gear Rotation
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171838096_5rusbn.jpg?imageView2/0)
- 指定大齿轮的转动为Big Gear Rotation
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171840534_mph0ip.jpg?imageView2/0)
2.7 查看初始油分布
右键选择模型树节点Scenes > Volume Fraction of Oil,点击弹出菜单项Open打开场景显示
选择Scene/Plot标签页,选择节点Scalar 1 > Scalar Field,设置以下参数
- 选中节点Parts ,选择Regions下的所有边界
- 设置Function为Volume Fraction > Volume Fraction of Oil
选择Scalar 1节点并设置Contour Style为 Smooth Filled.
选中节点Attributes > Update 并设置以下参数
选中节点Update > Time Step Frequency并指定Frequency为5
设置节点Volume Fraction of Oil > Attributes > Annotations并设置Annotations 为Solution Time
点击菜单Solution > Initialize Solution初始化计算
初始油相分布如下图所示。
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171840943_u865kb.jpg?imageView2/0)
2.6 求解计算
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171854154_lcv31e.jpg?imageView2/0)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171852437_1k6ja9.jpg?imageView2/0)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171835641_uvepw9.jpg?imageView2/0)
3 计算结果
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1638171844188_pmi3ui.jpg?imageView2/0)
本案例选自STAR CCM 随机案例。
来源:CFD之道
![CFD之道](https://public.fangzhenxiu.com/user/2023-2/1677045685104微信图片20230222134915.png?imageView2/0/w/90/h/90)
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