STAR CCM 案例｜风扇
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了使用STAR CCM+ 2021.3软件进行风机流体动力学模拟的步骤。首先，通过选择模型、创建运动参考系、设置初始条件和边界条件，以及设置计算参数，完成了稳态计算的设置。然后，通过查看计算结果和监测物理量，验证了稳态计算的准确性。接着，文章转向瞬态计算，通过激活瞬态计算和刚体运动，设置时间步长和计算时长，进行了瞬态模拟。最后，通过创建求解历史和查看切面上速度云图及压力云图随时间的变化，展示了瞬态模拟的结果。案例展示了STAR CCM+在流体动力学模拟方面的强大功能和应用。
本算例演示在STAR CCM 中模拟计算风扇的基本过程。
1 问题描述
计算几何如下图所示。风扇包含20个等间距的以2000 RPM的速度旋转的叶片，风扇其他部分保持静止。空气以5 m/s的速度从进气口进入到计算区域中，并从出口边界离开。
算例先用运动参考系模型进行计算，后面转为刚体运动模型计算。
2 STAR CCM 设置
启动STAR CCM 并新建Simulation
2.1 准备文件及网格
选择菜单File > Load，在打开的对话框中加载仿真文件fan_start.sim
右键选择模型树节点Operations，点击弹出菜单项Execute All生成计算网格
生成网格如下图所示。
注：案例中对进出口区域进行了拉伸延长。
”
2.2 选择物理模型
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
在弹出的对话框中指定以下物理模型 Three Dimension Steady Gas Segregated Flow Constant Density Turbulent K-Epsilon Turbulent
选择完毕后的模型对话框如下图所示。
2.3 创建运动参考系
鼠标右键选择模型树节点Motion，点击弹出菜单项New → Rotation
如下图所示指定旋转轴方向为**[0,0,1]** ，其他参数保持默认设置
选中节点Rotation Rate，指定旋转速度为2000 RPM
选中节点Regions > Rotating > Physics Values > Motion Specification node，指定 Reference Frame为ReferenceFrame for Rotation
2.4 设置初始条件
进入模型树节点Continua > Physics 1 > Initial Conditions，如下图所示指定Turbulence Specification为K Epsilon
指定湍流耗散率为 150 m^2/s^3
指定湍动能为1.5 J/kg
2.5 边界条件指定
此处指定入口处的流体速度。旋转区域内的壁面速度不需要更改，参考系会自动定义其运动速度。
选中模型树节点Regions > Blower Surround > Boundaries > Inlet Extrusion.Inlet，指定入口速度为5 m/s
指定节点under-shaft > Physics Conditions > Tangential Velocity Specification的方法为Rotation Rate
指定壁面转速为2000 rpm
2.6 设置计算参数
选择模型树节点Solvers > Segregated Flow > Velocity > Under-Relaxation Factor Ramp ，指定 Ramp Method为 Linear Ramp
选中节点Linear Ramp，设置Initial Value为0.5
相同方式设置Pressure亚松弛因子为Linear Ramp
指定 Start Iteration为1指定 Eend Iteration为200指定 Initial Value为0.2选中节点AMG Linear Solver，设置Convergence Tolerance为0.05
2.7 查看计算结果
创建Section Plane，指定其为Z平面，如下图所示
创建Vector及Scalar，并添加上面创建的Section Plane
2.8 监测物理量
右键选择模型树节点Reports，点击弹出菜单项New Report > Metrics > Surface Average，如下图所示创建面监控
为该节点创建监控
2.9 进行计算
点击菜单Solution → Run进行计算
2.10 计算结果
入口面上压力随迭代的变化，在550次迭代后达到稳定
切平面上矢量分布
切平面上速度分布
3 改用瞬态计算
点击菜单File → Save as…另存文件fan_unsteady.sim
3.1 激活瞬态计算及刚体运动
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
取消选项Steady，选择选项Implicit Unsteady
选择完毕后如下图所示。
选择模型树节点Regions > Rotating > Physics Values > Motion Specification，指定Motion为Rotation
选中Solvers > Implicit Unsteady，指定Time Step为8.3333e-5 s
注：风机转速2000 rpm，旋转一圈需要0.03 s。对于旋转机械，一般建议每个时间步旋转1°，因此可以估算时间步长为0.03s/360=8.333e-5 s。本算例计算3圈，即总的计算时长为0.09 s。
”
指定最大计算时长为0.09 s
取消激活选项Maximum Steps，如下图所示
创建求解历史，如下图所示
切面上速度云图随时间变化
切面上压力云图随时间变化
本案例为STAR CCM 2021.3随机算例。相关文件下载：见附件
