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。
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261621445_fsl1xc.jpg?imageView2/0)
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
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
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261621102_oss8th.jpg?imageView2/0)
- 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
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261625474_4h24wi.jpg?imageView2/0)
生成网格如下图所示。
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261619779_g5n1jt.jpg?imageView2/0)
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
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261624782_owpz58.jpg?imageView2/0)
选择完毕后的模型对话框如下图所示。
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261627826_5ag0xr.jpg?imageView2/0)
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
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261625029_biu3zd.jpg?imageView2/0)
- 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
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261625997_0d47z9.jpg?imageView2/0)
- 选中节点Rotation Rate,指定旋转速度为2000 RPM
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261620478_7z9o1d.jpg?imageView2/0)
- 选中节点Regions > Rotating > Physics Values > Motion Specification node,指定
Reference Frame
为ReferenceFrame for Rotation
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261623439_6b7crt.jpg?imageView2/0)
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
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261626384_j42iqh.jpg?imageView2/0)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261587239_thjmeb.jpg?imageView2/0)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261627097_pz0wnk.jpg?imageView2/0)
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
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261626721_0365gg.jpg?imageView2/0)
- 指定节点under-shaft > Physics Conditions > Tangential Velocity Specification的方法为Rotation Rate
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261625747_6k9j0r.jpg?imageView2/0)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261622842_fsetmb.jpg?imageView2/0)
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
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261622583_j3i02n.jpg?imageView2/0)
- 选中节点Linear Ramp,设置Initial Value为0.5
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261627563_gtwydl.jpg?imageView2/0)
相同方式设置Pressure亚松弛因子为Linear Ramp
选中节点AMG Linear Solver,设置Convergence Tolerance为0.05
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261621671_ba2xve.jpg?imageView2/0)
2.7 查看计算结果
- 创建Section Plane,指定其为Z平面,如下图所示
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261624481_8m8axk.jpg?imageView2/0)
- 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
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261627319_pdhj37.jpg?imageView2/0)
2.9 进行计算
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261623952_g46imj.jpg?imageView2/0)
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
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261620019_6cp19c.jpg?imageView2/0)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261624223_u9m16j.jpg?imageView2/0)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261621957_503zry.jpg?imageView2/0)
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
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261622318_qcdfk9.jpg?imageView2/0)
- 取消选项Steady,选择选项Implicit Unsteady
选择完毕后如下图所示。
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261623112_x5l55f.jpg?imageView2/0)
- 选择模型树节点Regions > Rotating > Physics Values > Motion Specification,指定Motion为Rotation
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261586649_ktwamt.jpg?imageView2/0)
- 选中Solvers > Implicit Unsteady,指定Time Step为8.3333e-5 s
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261586272_ebmr6b.jpg?imageView2/0)
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。
”
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261620260_zb0ai7.jpg?imageView2/0)
- 取消激活选项Maximum Steps,如下图所示
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261620722_df1det.jpg?imageView2/0)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261587875_zfsr0o.jpg?imageView2/0)
![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1641261588474_i3lqkw.jpg?imageView2/0)
本案例为STAR CCM 2021.3随机算例。相关文件下载:见附件
![CFD之道](https://public.fangzhenxiu.com/user/2023-2/1677045685104微信图片20230222134915.png?imageView2/0/w/90/h/90)
博士
|
教师
探讨CFD职场生活,闲谈CFD里外
获赞 2532粉丝 10961文章 705课程 27