STAR CCM 验证｜01 偏心管内自然对流
该案例演示在STAR-CCM 中求解自然对流问题，并将计算结果与文献数据进行比较验证。
1 问题描述
计算模型如下图所示。内管半径0.0178 m，温度373 K；外管半径0.0463 m，温度327 K。内外管道偏心距0.0178 m。
自然对流瑞利数为49500，采用层流模型进行计算。气体密度利用理想气体模型，其他物性参数为常数值。采用二维模型进行计算。
物性参数如下表所示。
| 物性参数 | 参数值 |
|---|---|
| Dynamic Viscosity (Pa-s) | 2.081E-5 |
| Molecular Weight (kg/kmol) | 28.9664 |
| Specific Heat (J/kg-k) | 1008.0 |
| Thermal Conductivity (W/m-K) | 0.02967 |
取对称面上的温度值与文献中的试验测量数据进行比较。
2 几何与网格
几何模型在STAR CCM 中直接创建。
启动STAR CCM 并利用菜单File → New… 新建Simulation
2.1 创建几何
右键选择模型树节点3D-CAD Models，点击弹出菜单项New打开3D-CAD
右键选择节点XY，点击弹出菜单项Create Sketch创建草图
按下图所示尺寸绘制草图
右键选择节点Sketch 1，点击弹出菜单项Extrude
如下图所示拉伸0.01 m，点击OK按钮创建三维几何
注：这里计算的是2D模型，因此拉伸距离并不重要。
”
选中下图所示的表面，点击右键菜单Rename，命名为upper
相同方式为其他表面命名，如下图所示，命名完毕后关闭3D-CAD面板
右键选择节点3D-CAD Model 1，点击弹出菜单项New Geometry Part创建部件
2.2 分配区域
右键选择节点Body 1，点击弹出菜单项Assign Parts to Regions… 打开区域分配对话框
如下图所示选择选项，并点击Apply按钮创建区域
如下图所示，指定边界lower及upper的类型为Symmetry Plane
2.3 划分网格
右键选择模型树节点Operations，点击弹出菜单项New → Mesh → Badge for 2D Meshing
弹出对话框中选择Body 1，激活选项Execute Operation Upon Creation，点击OK按钮关闭对话框
右键选择节点Operations，点击弹出菜单项New → Mesh → Directed Mesh
弹出对话框中选择Body 1，点击OK按钮关闭对话框
右键选择节点Directed Mesh，点击弹出菜单项Edit… 打开设置面板
如下图所示指定Source Surfaces为domain
如下图所示指定Target Surfaces为Default
右键选择节点Source Meshes，点击弹出菜单项New Source Mesh → Patch Mesh
弹出对话框中选择Body 1，点击OK按钮关闭对话框并打开新的面板
点击下图所示按钮，软件自动识别映射边界
设置Mode为Patch Mesh，选中图中所示高亮的几何边，如下图所示指定参数，并点击Apply按钮
选中图中所示高亮的几何边，如下图所示指定参数，并点击Apply按钮
右键选择节点Mesh Distributions，点击菜单项New Volume Distribution
选择Body 1
右键选择节点Directed Mesh，点击弹出菜单项Execute生成网格
生成的网格如下图所示。
3 选择物理模型
右键下载模型树节点Physics 1 ，点击弹出菜单项Select Models… 打开模型选择对话框
选择以下物理模型 Two Dimensional Steady Gas Coupled Flow Ideal Gas Laminar Gravity
选择完毕后的对话框如下图所示。
4 设置材料物性
双击模型树节点Physics 1 > Models > Gas > Air > Material Properties，弹出材料属性设置对话框，如下图所示设置参数
5 设置初始条件
双击节点Physics 1 > Initial Conditions，如下图设置初始条件
注：对于稳态计算来说，初始值对最终结果没有影响，但会影响收敛过程。
”
6 设置边界条件
选中模型树 节点Body 1 > Boundaries > inner_wall > Physics Conditions > Thermal Specification，指定Condition为Temperature
选中节点Physics Values > Static Temperature，指定温度值为373 K
选中模型树 节点Body 1 > Boundaries > outer_wall > Physics Conditions > Thermal Specification，指定Condition为Temperature
选中节点outer_wall > Physics Values > Static Temperature，指定温度值为327 K
7 收敛监控
添加残差标准用于控制收敛。
右键选择模型树节点Stopping Criteria，点击弹出菜单项New Monitor Criterion…
弹出的对话框中选择Energy，点击OK按钮添加能量方程残差
相同方式添加Continuity、X-momentum及Y-momentum 如下图所示选择新添加的4个节点，设置选项 Logical Rule为And
注：设置为And表示需要同时满足设定条件，才能被判断为计算收敛。
”
选中节点Energy Criterion > Minimum Limit，指定 Minimum Value为1e-6
注：能量方程收敛残差至少应当保证低于1E-6
”
8 绘制曲线
右键选择模型树节点Tools > Tables，点击弹出菜单项New Table → File Table
文件选择对话框中添加数据文件，如下图所示
右键选择模型树节点Plot，点击弹出菜单项New Plot → XY Plot新建绘图，修改节点名称为upper
选中节点upper，指定 Parts为upper
指定X Type > Vector Quantity 为 [0,1,0] ，表示沿Y坐标分布
设置Y轴变量为Temperature，如下图所示
选中节点Body 1:upper，激活选项Sort Plot Data
注：若不激活此选项，则以线条显示曲线时会混乱。
”
设置Line Style为实线，如下图所示
如下图所示，指定Symbol Style为None，表示不显示标记点
右键选择节点Data Series，点击弹出菜单项Add Data
添加数据upper_termperature，点击OK按钮添加数据
相同方式绘制边界lower上的温度随Y坐标分布，并添加试验数据lower_temperature 创建Scalar Scene，指定显示变量为Temperature
9 求解计算
点击菜单Solution → Run开始计算
10 计算结果
温度分布
注：这里的云图显示是经过了镜像处理后的结果。
”
上对称面的温度分布计算值与试验值比较
下对称面的温度分布计算值与试验值比较
文中的参照数据取自文献：
[1]Cho, C., Chang, K. & Park, K., 1982. Numerical Simulation of Natural Convection in Concentric and Eccentric Horizontal Cylindrical Annuli. ASME. J. Heat Transfer, 104(4), pp. 624-630.
”
[2]Kuehn, T. H. and Goldstein, R. J. An experimental study of natural convection heat transfer in concentric and eccentric horizontal cylindrical annuli. J. Heat Trans. (100) pp. 635-640, 1978.
相关文件：
链接：https://pan.baidu.com/s/1pkiy5c7k2w5RTkl7mcA4wQ 提取码：h5do
”
（案例完毕）
