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：链接：https://pan.baidu.com/s/1QWubQp_H8mnTTGBSfvgDUA提取码：v0zw