STAR-CCM+案例05|烟气掺混罐内部空气混合模拟-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+进行烟气掺混罐内部空气混合温度场分布及流动迹线仿真的方法。通过本案例，可以学习到局部网格控制、CFD分析的一般过程、流线动画制作、边界条件选择等方面的知识。本案例中，烟气掺混罐中心为一个出口，由一个真空泵流量为50L/min进行抽气，8个进气口从锅炉烟囱抽气，两种组分烟气各从两侧4个进口1(冷气)、4个进口2(热气)进入，两种烟气之间没有化学反应。两种烟气成分如下：进口1的入口温度为30℃，进口2的入口温度为60℃。模拟工况：1)入口压力:-2000Pa(表压)，出口流量:50L/min;集气内筒距底面高度100mm:在混合区域中交汇，然后从出口流出。

本案例演示采用STAR-CCM+模拟烟气掺混罐内部空气混合温度场分布及流动迹线。通过本案例，你将学习以下几个知识点：

• 利用STAR-CCM+进行局部网格控制；

• 对烟气掺混罐内部流场进行CFD分析的一般过程

• STAR-CCM+如何做出好看的流线动画

• STAR-CCM+中边界条件的选择

一、问题描述

这是一位粉丝在进行烟气掺混罐内部流场仿真遇到的问题。

如下图所示，烟气掺混罐中心为一个出口，其直径为22mm，由一个真空泵流量为50L/min进行抽气；8个进气口从锅炉烟囱抽气，两种组分烟气各从两侧4个进口1（冷气）、4个进口2（热气）进入，进气口两种烟气组分，两种烟气之间没有化学反应。两种烟气成分如下：进口1的入口温度为30℃，进口2的入口温度为60℃。模拟工况：1）入口压力：-2000Pa(表压)，出口流量：50L/min；集气内筒距底面高度100mm：在混合区域中交汇，然后从出口流出。

烟气掺混罐几何模型格式为Solidworks装配体格式。

二、仿真目的

模拟目标：看看取样导流喷管的高度位置，偏转角度改变有没有优化的地方。演示两种气体在罐子内部的流线轨迹。

• 评估混合罐内气流温度场分布

• 对烟气进气管道偏转角度进行优化

三、仿真策略

综合考虑仿��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，烟气等效为空气进行稳态分析；精度低

第二步，考虑固体热容对流体换热影响，烟气等效为空气进行稳态分析；精度低

第三步，不考虑固体热容对换热影响，考虑烟气组分进行稳态分析；精度较高

第四步，考虑固体热容对流体换热影响，考虑烟气组分进行进行稳态分析；精度高

第五步，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，提取内部流体域进行数值仿真。流体域的提取可用通过【几何/3D-CAD】处理，也可通过其他软件（SCDM）提取。前面案例已说明，这里不再赘述。最终将得到的流体域的几何模型，将其导入到【几何/零部件】节点。

1.1 在【几何/零部件/mix-fluid/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）(对需要自定义的边界最好单独分割出来具体参见文末源文件查看)

1.2 右击【几何/零部件/mix-fluid】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，因此本案例只创建3层边界层网格。由于本案例模型要将y+值控制均匀些比较麻烦，因此选用全y+近壁面函数，湍流模型拟采用SST K-W模型。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，在【默认控制】节点设置全局网格尺寸控制，具体设置参考下表（基础尺寸一般设置为入口直径或者一个好等比控制的值，它不参与对网格的实际控制）

2.1.1  【默认控制】网格设置参数如下表所示

2.2 在【自定义控制】节点右击选择【新建/面控制】分别对进口的管道、混合器底板孔、和出口壁面进行棱柱冷网格控制

2.3 以进口管道壁面为例演示，其他类似。在【控制/棱柱层】节点属性面板选择【自定义】后，即可在生成的【自定义】节点选择相应的自定义项勾选后，即可在【值】节点进行设置。

本案例中进口壁面棱柱层总厚度为5e-5m，孔板为1e-5m，出口壁面为6e-5m

2.4  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。

2.5  执行【体网格生成】，进行计算前请检查网格质量

3、求解设置

本案例工况为内流流动，通过计算，入口雷诺数大于2500，因此混合器内部流动为湍流流动。

3.1 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 工具栏点按下图所示创建几何视图

5.2  右击【衍生零部件】节点，创建【流线】

5.3  右击【创建流线】面板，按图选择创建【出口】的流线

5.4  右击创建的【流线2/二阶积分器】属性面板，按图选择

5.5  单击工具栏中的三角播放按钮可以观看动画，圆形输出按钮，可以输出动画

5.6  混合器内部温度流线动图如下

五、总结

本案例为在最短时间获取结果，因此采用的是最简单的仿真策略。后续大家还可以尝试考虑固体的热容情况?考虑烟气复杂成分情况？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？通过从易到难逐步逼近策略，不仅可以减少学习的时间成本，而且可以逐次加深对CFD的认识，更容易理解一些枯燥抽象的理论观点。

本案例得难点在两个方面：

1. STAR-CCM+对于边界层的自动控制方法不如Fluent meshing丰富，因此需要手动自定义控制，对于很多初学者可能不是太擅长如何区合理控制；

2. STAR-CCM+中得边界类型，对于用过fluent或其他CFD得同学或者新手不是太好理解。在fluent中我们直接可用选择压力入口和流量出口即可，但是在STAR-CCM+对应得是滞止入口和出口；

当然对于烟气的混合仿真要做到精确求解，还需精确设定烟气的组分进行多相流仿真，这个后续再跟大家讨论

敲黑板，划重点啦！

1、 在STAR-CCM+中，如果需要对特定的部位进行局部网格控制，可用通过自定义中的线、面、体控制实现，如果直接通过面或线控制，注意要在预处理中单独命名，便于我们操作；

2、 关于壁面函数的选择，新手如果实在不知道如何选择就选择全y+，不够推荐大家还是要根据自己选择的湍流模型合理选择壁面函数和处理近壁面的网格；

3、 质量流量出口可以采用质量流量入口（但是需要将其设为负值），但不推荐；

4、 入口也可以选择压力出口（静压），一般也不推荐。常用滞止入口替代。滞止入口可以认为是总压入口；

5、 已知量相同的边界类型不能兼容组合（如：质量流入口+出口）

由于考虑到篇幅问题，文中案例的一些不重要的操作过程忽略，大家自行补充尝试。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仿真分析提供一些帮助。