本案例利用STAR CCM+计算并验证管道内多组分气体混合。

1 案例概述

 

参考资料：W.M. Kays and M.E. Crawford. Convective Heat and Mass Transfer. 3rd Edition. McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, NY. 126-134. 1993.

”

如图所示的管道系统，管道直径0.005m，管长0.1 m。

 

本案例验证从inlet及wall边界向系统中注入气体后的混合过程。

两种组分气体的物性分别为：

• 组分A
• 密度：1 kg/m3
• 动力粘度：1e-5 kg/m-s
• 扩散系数：1.43e-5 m2/s
• 组分B
• 密度：1 kg/m3
• 动力粘度：1e-5 kg/m-s
• 扩散系数：1.43e-5 m2/s

inlet边界入口为充分发展层流速度边界，平均速度为1 m/s，其中inlet入口中组分A、B的质量分数均为0.5，Wall入口边界组分A与B的质量分数分别为0.9与0.1。

 

注：两种组分属性相同，只是为了与文献中数据保持一致，以方便进行结果验证。

”

2 STAR CCM+设置

2.1 启动STAR CCM+

• 启动STAR CCM+，点击菜单File → New…弹出设置对话框，如下图所示保持默认设置，点击OK按钮新建仿真

2.2 导入网格

本案例网格由ICEM CFD生成。

• 点击菜单File → Import → Import Volume Mesh…，在弹出对话框中选择网格文件VM06.msh导入网格

• 右键选择模型树节点Scenes，点击弹出菜单项New Scene → Mesh，图形窗口中显示导入的网格，如下图所示（取其中一段）。

2.3 添加物理模型

• 右键选择模型树节点Continua → Physics 1，点击弹出菜单项Select models…，弹出设置对话框

• 取消选项Two Dimensional，选择选项Axisymmetric
• 弹出对话框中选择选项Steady
• 选择选项Multi-Component Gas
• 选择选项Non-reacting
• 选择选项Segregated Flow
• 选择选项Constant Density
• 选择选项Laminar
• 其他参数保持默认设置，如下图所示，点击Close按钮关闭对话框

2.4 材料设置

• 鼠标右键选择模型树节点Gas Components，点击弹出菜单项Select Mixture Components… 打开设置对话框

• 任意选择两种组分，如下图所示

• 修改材料介质名称为A与B，如下图所示

• 指定组分A的密度与粘度，如下图所示

• 指定组分B的密度与粘度

• 选中模型树节点Segregated Species ，激活选项Multi-component Diffusion ，如下图所示

• 选中节点Molecular Diffusivity → Binary Diffusion Coefficients ，指定Value为1.43E-5 m2/s ，如下图所示

2.5 定义函数

定义充分发展流动条件。

• 右键选择模型树节点Tools > Filed Functions，点击弹出菜单项New → Scalar创建标量表达式，命名为U

 

注：这里也可以创建矢量表达式，但创建标量要更加简单，也更容易理解。

”

• 属性窗口中点击Definition右侧按钮，弹出变量定义对话框，如图所示，变量定义对话框中指定速度表达式为2*(1-pow($${Centroid}[1],2)/0.0025/0.0025)，如下图所示

2.6 定义初始值

• 选中模型树节点Initial Conditions → Species Mass Fraction ，设置初始组分为**[0.5,0.5]** ，如下图所示

• 如下图所示，设置初始速度为**[1,0] m/s**

2.7 定义边界条件

1、inlet设置

• 如下图所示，指定Velocity Specification 为Components

• 选中Velocity 节点，指定Method为Composite

• 选中节点X Component，指定Method为Field Function ，设置Scalar Function为U

• 选中节点Species Mass Fraction ，指定Value为**[0.5,0.5]** ，如下图所示

2、Wall边界设置

• 选中模型树节点Wall Species Option ，指定Method为Specified Value

• 选中节点Species Mass Fraction ，指定Value为**[0.9, 0.1]** ，如下图所示

3、OUTLET设置

• 指定Species Mass Fraction为**[0.5, 0.5]**

2.8 设置迭代次数

• 鼠标选中模型树节点Stoping Criteria，属性窗口设置Maximum Steps为500

2.9 开始计算

• 点击菜单Solution → Run开始计算

3 计算结果

• 速度分布

• 组分A的质量分数分布

• 右键选择模型树节点Derived Parts，点击弹出菜单New Part → Section → Plane… 打开设置面板

• 如下图所示创建x=0.01 m 的面

• 相同方式创建x分别为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1的面，如下图所示

• 定义无量纲变量MFA，如下图所示定义其值为(0.9-${MassFractionA})/(0.9-0.5)

• 右键选择模型树节点Reports，点击弹出菜单项New Report → Flow/Energy → Mass Flow Averaged 创建报告

• 如下图所示指定参数

• 运行报告节点

得到的结果如下图所示。

与目标值比较，如表所示。

可以看到计算值能够与目标值相吻合。

（完毕）