案例分享：使用PERA SIM Fluid进行外掠球体的对流换热仿真验证
作者 | 王永康
导读：本文基于安世亚太公司自主研发的高级通用流体CFD软件PERA SIM Fluid，对某计算流体动力学书籍上的经典案例进行模拟计算，查找雷诺数Re和努塞尔数Nu之间的关系；将PERA SIM Fluid的计算结果与理论解曲线、前人的实验解曲线进行对比，进一步验证了PERA SIM Fluid流体的计算精度。
基于单一球体，不同雷诺数下的气流与之进行流动换热，提取不同雷诺数Re的努塞尔数Nu数值。理论解曲线、前人的实验解曲线及拟合的准则方程如图1所示。
图1 理论解及实验解曲线
本案例的流动换热仿真计算主要包括模型处理、网格划分、求解设置及后处理显示。
一、模型前处理
PERA SIM Fluid可以导入市面上主流的多种数据格式的CAD模型，如图2所示。
图2 几何导入接口
1）将球体CAD模型导入后，使用软件中的“立方面”命令，可以建立球体的外流场空间；
2）使用“Move to Group移动到组”命令建立外流场空间的进口、出口，对齐进行命名；
3）点击“快速修复”、“识别体”，软件会自动进行CFD模型的识别及修复，查找模型的Share共面，并根据模型本身的几何特征，自动形成点、边、面，并对不同的面赋予不同的颜色，面的颜色与其名字所显示的颜色完全一致，非常方便用户对模型进行检查，如图3所示。用户可以在模型树下点击勾选以隐藏/显示对应的特征。
图3 CFD模型修复
二、网格划分及检查
PERA SIM Fluid拥有非常丰富的网格控制技术，既可以对网格参数进行全局设置，也可以进行局部设置；另外，还可以对固体表面附近的流体进行边界层加密，也支持对局部空间进行网格细化。
1）点击全局图标，设置网格的最大尺寸为10毫米，最小尺寸为1毫米；网格增长率默认为1.2，如图4所示。
图4 全局网格参数设置
2）对于CFD流体计算而言，为了更好捕捉壁面附近的变量梯度，通常需要对流体空间近壁面处划分边界层网格。点击边界层图标——选择Volume1——选择Volume1-Share_qiuwall，设置边界层选项为打开，输入层数为5，第一层层高为1毫米，增长率1.25；如图5所示。未被进行特殊设置的模型，其仍然使用全局网格的参数进行网格划分。
图5 边界层网格参数设置
3）点击密度盒命令，建立立方体的加密区域，设置合理的网格尺寸及比例，对包含球体的空间进行加密，如图6所示。
图6 局部空间网格加密
4）点击体网格划分按钮，如果不勾选多面体Polyhedron，那么PERA SIM Fluid将使用四面体网格来对模型划分网格；如果勾选多面体，则使用多面体网格来对模型划分网格；默认勾选边界层；划分的网格如图7所示。
图7 网格显示
5）点击网格质量Quality，可以对划分的网格进行不同标准的Check。PERA SIM Fluid具有多种网格质量的检查和评价标准，其可以检查网格正交性、网格扭曲度、网格质量、网格体积、网格距离、网格长宽比等网格质量标准，如图8所示。可以看出，本案例划分的网格完全满足常规通用流体求解器的计算要求。
图8 网格质量检查及网格报告
三、CFD求解计算
在PERA SIM Fluid软件面板中，点击Setup或者Analysis，可以对CFD计算的参数进行设置；简要的步骤如下：
1）在Models下打开能量方程，在Viscous下选择SST k-omega湍流模型；
2）在材料模型树下选择默认的Air；
3）在Cell zone conditions下设置不同体的类型及材料（高雷诺数下球体的热耗有所增加）；
4）在Boundary Conditions下设置不同的边界条件，如图9所示。
图9 材料及边界条件设置
5）在Solution下设置不同的离散格式，在Controls下设置不同变量的迭代因子（保持默认设置）；
6）在Monitors下设置一个监控点；在Initialization下对CFD计算进行初始化，点击Apply应用；在Calculation下设置相应的迭代步数；点击主菜单中的Run按钮，如图10所示，即可启动求解器进行计算。
图10 求解计算的参数设置
7）在求解过程中，底部的Message窗口会跳出相应的残差数值、监控点数值，右侧会出现相应的残差曲线及监控点曲线，如图11所示。
图11 CFD计算的残差及监控点曲线
四、CFD后处理显示
1）当Re为5134时，PERA SIM Fluid计算的球体CFD结果如图12所示。
图12 Re为5134时，CFD计算结果
2）当Re为20538时，PERA SIM Fluid计算的球体CFD结果如图13所示。
图13 Re为20538时，CFD计算结果
3）当Re为51344时，PERA SIM Fluid计算的球体CFD结果如图14所示。
图14 Re为51344时，CFD计算结果
4）当Re为102688时，PERA SIM Fluid计算的球体CFD结果如图15所示。
图15 Re为102688时，CFD计算结果
可以看出，不同雷诺数下，球体绕流的分离角有所不同。
五、参照比较
将PERA SIM Fluid计算的换热系数h、努塞尔数Nu进行提取，并绘制它们与雷诺数Re的Plot图表，如图16、图17所示。
图16 换热系数h.VS.雷诺数Re
图17 努塞尔数Nu.VS.雷诺数Re
将PERA SIM Fluid计算的努塞尔数Nu绘制到理论解曲线、前人实验解曲线中（红色标记点为PERA SIM Fluid数值计算的结果），如图17所示。可以发现：在不同雷诺数下，PERA SIM Fluid的数值计算结果与理论解曲线、前人实验解曲线比较吻合，这进一步验证PERA SIM Fluid在CFD数值计算方面的求解精度。
图18 PERA SIM CFD计算结果.VS.理论解及实验解
安世亚太自主研发的高级通用流体CFD软件PERA SIM Fluid将模型处理、网格划分、求解设置及后处理一体集成，其操作简洁、高效，非常适合流体工程师对各类工业品的热流特性进行求解验证。
