STAR-CCM+案例03|水龙头冷热水混合模拟-从实践中学习CFD

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了使用STAR-CCM+模拟家用水龙头内部冷、热两股水流混合后流出过程的案例。首先，问题描述中提到模拟60℃热水与20℃冷水分别以5m/s的流速流入混合器进行混合，最终流出。其次，仿真目的包括评估水龙头中的水流分布、评估水龙头出水温度的均匀性以及测量水龙头的压降。最后，通过模型前处理、划分流场域网格、求解设置、运行仿真和结果后处理等步骤，完成了整个CFD过程演示。

本案例演示采用STAR-CCM+模拟家用水龙头内部冷、热两股水流混合后流出过程，水龙头内部水流流动特性与温度分布情况。

一、问题描述

热水和冷水进入水龙头，在混合区域中交汇，然后从出口流出。其中混合器部件材料为黄铜，管道部件材料为不锈钢。模拟60℃热水与20℃冷水分别以5m/s的流速流入混合器进行混合，最终流出。

水龙头结构模型是由CAD工程师提供的Inventor建好三维几何模型，（源文件见文末下载链接）

二、仿真目的

获取水龙头内部冷、热流体的混合流动特性及传热特性，用于指导混合器的结构设计。

• 评估水龙头中的水流分布

• 评估水龙头出水温度的均匀性

• 测量水龙头的压降

三、仿真策略

综合考虑仿真时间成本和仿真精度，合理将仿真任务进行分解，如按时间成本从低到高排序如下：

第一步，不考虑固体热容对换热影响，稳态分析；精度低

第二步，考虑固体热容对流体换热影响，稳态分析；精度高

第三步，如需了解整个混合换热过程，则需要进行瞬态分析；

四、CFD过程演示

1、模型前处理

本案忽略了固体热容对温度场的影响，因此，提取水龙头内部流道进行数值仿真。本案例采用3D-CAD操作抽取模型如下：（此处推荐用SCDM做几何前处理）

1.1 启动STAR-CCM+，新建模拟。右击【几何/3D-CAD】节点，选择【新建】进入3D-CAD编辑窗口。

1.2 如图操作，导入保存在电脑中的CAD文件【FAUCET.iam】

1.3 右击模型选择【抽取内部体积】，如图，在绿色框内选择进出口端面，红色框内选择与流体接触的几何部件，创建流体域

1.4 如下图，找到创建抽取出的流体域几何body，右击对应节点，选择【新几何零部件】，将流体域几何传递至【几何/零部件】节点

1.5 在【几何/零部件/Body3/表面】节点，右击【Default】选择【根据块分割几何零部件表面】，定义边界表面（入口、出口、壁面等）

1.6 右击【几何/零部件/Body3】节点，选择【将零部件分配给区域】，按下图所示进行选择

，此时，将几何零部件传递至【区域】节点

2、划分流场域网格

基于PBM方式，采用自动网格划分方法划分多面体网格，由于壁面对流动影响不是考察重点，因此本案例创建3层边界层网格。之所以采用多面体网格是因为STAR-CCM+中对于这种复杂结构模型采用多面体网格能够有有效减少网格数量和提高数值求解收敛速度。

2.1 右击【操作】>【自动网格】，选择网格模型

2.2  网格设置参数如下表所示

2.2 在【区域】节点，按照仿真工况已知边界条件设置类型，下图给出了【压力出口】边界设置方法。其他边界设置类似，这里不过多赘述。

2.3 执行【体网格生成】，进行计算前请检查网格质量。

3、求解设置

3.1 本案例工况为内流流动，通过计算，入口雷诺数大于2500，因此阀门内部流动为湍流流动。

第一层边界厚度及雷诺数计算可通过以下网址查询：https://pointwise.com/yplus/index.html

3.2 在【连续体】节点，选择【物理模型】如下图所示

3.2在【停止标准】节点设置【Maximum Stops】为600

3.3 在【报告】节点创建出口速度的【表面平均值】监测量：在【属性】面板中【场函数】选择速度，【零部件】选择出口

3.4 在【报告】节点右击创建的监测量【表面平均值1】，选择【根据报告创建监视器和绘图】，创建一个绘图

3.5 也可在创建其他监测量或者矢量或者标量视图用于求解过程监测，本案例不再赘述。

4、运行仿真，进行数值计算

观察残差曲线与监测平均速度，当残差下降到10E-3以下，监测量稳定后，说明计算收敛。

5、结果后处理

5.1  温度云图

5.2  压力云图

5.3  矢量动图

5.4 流线动图

五、总结

本案例因为篇幅有限，忽略了些不重要的操作过程，大家可自行尝试。本案例旨在提供一个具体的CFD仿真分析过程，为大家在做这类型CFD仿真提供一些帮助。个人始终觉得如何应用CFD解决我们实际工程问题才是关键，至于软件的操作只是我们工程师的一个工具，只要我们在平时工作和学习过程中，多操作、多思考都能熟练掌握其操作。

本案例只是从不考虑固体热容情况下，对水龙头内部流场及温度分布进行了模拟，后续大家还可以尝试考虑固体的热容情况?尝试其他湍流模型？调整壁面边界层网格设置？.....从不同的角度和维度刨析不同的设置对数值结果的影响？当您遇到不理解的地方，我们可以自己先尝试思考，为什么出现这种现象或者差异？然后再去咨询前辈或者查阅资料，去了解相关问题或者理论知识，补充下自己的知识漏点。我相信，只要您坚持一段时间，一定会有跟以前不一样的收获。

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