本文利用STAR-CCM 演示不可压缩气体在后向台阶上的流动。

注：本案例来自STAR-CCM 官方教程。

这是一个二维计算问题，通过这个案例我发现STAR-CCM 是有完备的二维网格划分和求解能力的，但是二维网格划分的方式并不直观，需要先画三维几何，然后就像“二向箔”一样把三维压成二维。

问题描述

后台阶几何模型如下图所示。这是一个后台节流问题，底部壁面是一个热源，热流密度为500 W/m^2，该问题对应的雷诺数为28000，利用K-E湍流模型和高y 壁面函数处理，可以让你使用比较粗糙的网格，而不用划分边界层。

△ 几何模型

创建几何

STAR-CCM 有基本三维建模功能，本案例几何比较简单，就用软件自带的建模功能创建几何。

1. 启动STAR-CCM ，然后新建一个仿真文件；
2. 右击Geometry > 3D-CAD Models节点，然后选择New；
3. 先重命名3D-CAD Model 1节点为Fluid Domain；
4. 右击Features > XY节点，然后选择Create Sketch，在XY平面创建一个草图；
5. 点击Set Sketch Grid Spacing，然后设置草图网格间距为0.25 m，如下图所示；

△ 调节草图网格间距

1. 点击View Normal to Sketch Plane使草图平面居中；
2. 使用Create Line按钮，画一个段长度为1 m的线，起点为坐标原点，方向为y轴正方向，落好终点后点击ESC，线段如下图所示：

1. 右键单击位于原点上的顶点并选择应用固定约束，这主要是防止定点乱动，也就是说限制了图形的自由度，使图形变得可控；
2. 右击上面的线段，然后选择Apply Length Dimension；
3. 在Dimension对话框中设置如下图所示：

△ 参数化尺寸

1. 从台阶高度的顶部开始画一条线，延伸约 3.8 m，方向为x负方向；
2. 右击刚画的这条线，然后选择Apply Length Dimension；
3. 在Dimension对话框中，设置如下图所示：

△ 线段参数设置

注：符号$是参数引用符号，后面加个参数名就可以引用对应的变量。

1. 类似地，我们创建其他的线段，创建好的图形如下图所示：

△ 创建好的几何模型

1. 点击OK，退出草图编辑；
2. 右击草图Sketch 1，然后选择Extrude；
3. 在Extrude中设置如下图所示：

△ 实体拉伸参数设置

1. 选择Body Groups > Body 1节点，并重命名为Backward Facing Step；

重命名边界：

1. 右击如下图所示的边界，选择Rename，然后在Rename对话框中输入Inlet，然后点击OK；

△ 入口边界

1. 其他边界命名如下图所示：

△ 边界命名

1. 重命名 Z = 0 平面为Surface for 2D Mesh，如下图所示：

△ Z = 0 平面

1. 重命名后，模型树中边界面如下图所示：

△ 模型边界

创建加密框

在3D-CAD中创建网格加密区，步骤如下：

1. 右击如下图所示的平面，然后选择Create Sketch > On Face；

△ 加密框草图基准面

1. 点击Create Rectangle，创建矩形框如下图所示：

△ 矩形加密框

1. 创建几何关系约束，使加密框左、右和底部边线与几何形状的对应边共线，设置后如下图所示：

△ 创建加密框几何关系约束

1. 右击加密框左侧边线，然后选择Apply Length Dimension；
2. 在Dimension对话框中设置如下图所示：

△ 加密框尺寸参数设置

1. 右击Sketch 2，然后选择Extrude；
2. 在Extrude面板中，设置如下图所示：

△ 加密框拉伸参数设置

1. 点击OK，然后重命名Body Groups > Body 2节点为Refinement Box；
2. 点击Close 3D-CAD，关闭模型创建界面。

生成网格

关键的一步到了，首先生成2为网格：

1. 右击Geometry > 3D-CAD Models > Fluid Domain节点，然后选择New Geometry Part；
2. 保持默认设置，然后点击OK，关闭Parts Creation Options对话框；
3. 展开Parts > Backward Facing Step > Surfaces节点，我们会发现在3D-CAD定义的边界出现在了这里，而且保持了原有的边界名称；

标记二维网格平面

这就是STAR-CCM 划分二维网格别扭的地方，需要先标记二维网格平面：

1. 右击Geometry > Operations节点，然后选择New > Mesh > Badge for 2D Meshing；

△ 操作示意图

1. 在Create Badge for 2D Meshing Operation对话框中，选择Backward Facing Step，然后点击OK；
2. 右击Operations>Badge for 2D Meshing节点，然后选择Execute；
3. 展开Geometry > Parts > Backward Facing Step > Surfaces节点，看到如下图所示，深红色的标记面会变成二维网格区域，黄色标记面会变成网格区域边界；

△ 标记后的边界

分配新区域

1. 右击Parts > Backward Facing Step节点，然后选择Assign Parts to Regions；
2. 在Assign Parts to Regions 对话框中设置如下图所示：

1. 点击Apply然后点击Close。

设置边界类型

1. 选择Regions > Backward Facing Step > Boundaries > Inlet节点，然后设置类型为Velocity Inlet；
2. 选择Outlet节点，并设置类型为Pressure Outlet。

设置网格划分器

1. 右击Geometry > Operations节点，然后选择New > Mesh > Automated Mesh；
2. 在Create Automated Mesh Operation对话框中设置如下：

3.设置全局网格参数如下图所示：

△ 全局网格参数

设置网格加密

1. 右击Operations > Automated Mesh > Custom Controls，然后选择New > Volumetric Control；
2. 选择Volumetric Control节点，然后编辑Parts为Refinement Box，然后点击OK；
3. 选择Volumetric Control > Controls > Trimmer节点，激活Customize isotropic size选项；
4. 然后选择Values > Custom Size节点，设置Percentage to Base为50。

以上设置好后，在界面顶部点击Generate Volume Mesh按钮，生成二维网格，如下图所示。

△ 二维网格

求解

选择物理模型

1. 展开Continua节点，然后重命名为Fluid；
2. 为Fluid选择如下图所示的物理模型：

修改材料属性并设置初始条件

1. 编辑Fluid > Models > Gas > Air > Material Properties节点，设置属性参数如下表所示：

1. 编辑Fluid > Initial Conditions节点，具体如下表所示：

设置边界条件

用Table工具加载边界条件：

1. 右击Tools > Tables，然后选择New Table > File Table；
2. 在Open对话框中，选择文件backStepInletData.csv；
3. 选择Regions > Backward Facing Step > Boundaries > Inlet > Physics Conditions > Turbulence Specification，然后设置Method为K Epsilon；
4. 同样，在Physics Conditions节点中，选择Velocity Specification节点，然后设置Method为Components；
5. 编辑Physics Values节点如下表所示：

1. 选择Boundaries > Step Bottom > Physics Conditions > Thermal Specification节点，然后设置Condition为Heat Flux；
2. 选择Physics Values > Heat Flux节点，然后设置Value为500 W/m^2。

计算及结果分析

点击Run，运行计算。

计算完成后，后台阶流速度云图如下图所示。

△ 速度云图

后台阶底部壁面剪切应力仿真值与实验值对比如下图所示。

△ 壁面剪切应力仿真与实验对比

壁面努塞尔数仿真值与实验值对比如下图所示。

△ 努塞尔数对比

本文到此结束。