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Star CCM+案例：多孔介质_01

霍同学

7月前浏览13039

-图文教程-

-多孔介质-

--Star CCM+--

本文摘要（由ai生成）：

这篇文档使用 Star CCM+教程中的案例，对软件中多孔介质的使用进行了简要介绍，包括问题描述、流程解析、结果可视化/后处理等部分，还通过理论值与仿真结果的对比验证了结果的准确性。

01

前言

❖ 关键词

# 多孔介质

# 各向同性

# 压降

# 惯性阻力

# 粘性阻力

# Star CCM+

本篇章结合案例对Star CCM+中多孔介质的使用进行了简要介绍_

❂_注意：

✦ 本案例及模型来源于Star CCM+官方教材，已置于篇尾分享链接中，有需要的小伙伴自取_

▓ 往期回顾

❖ Star CCM+系列教程_01

02

问题描述

▓ 模型介绍

模型文件已置于篇尾分享链接_

本案例为流体通过催化剂（多孔介质区域）的流动，图中紫色高亮的圆柱区域即为催化剂材料区域，直径为0.1m，厚度为0.03m；

本案例中多孔介质区域的惯性阻力和粘性阻力均为各向同性；

✦ 惯性阻力：25kg/m^4

✦ 粘性阻力：1500kg/m^3·s

❆ 关于惯性阻力和粘性阻力

✦ 不同的CFD软件对惯性阻力和粘性阻力的定义及求取存在差异，比如Fluent和Star CCM+中常用的惯性阻力和粘性阻力并不是一个含义；

✦ 下一篇章会对Fluent及Star CCM+中的惯性阻力和粘性阻力进行求解对比；

03

流程解析

❆ 模型导入、可视化

打开Star CCM+，新建模拟，通过文件-导入-导入体网格-并选择catalyst.ccm文件并导入_

通过文件-保存-命名并保存*.sim格式文件_

可视化导入的模型并查看，在Star CCM+中通过创建并编辑几何场景来实现_

单击鼠标左键并沿任何方向拖动，视图将围绕单击鼠标左键（标记为小方框）的位置旋转；

单击鼠标右键并沿任何方向拖动，以移动模型；

滚动鼠标中键可达到缩放模型的目的；

可通过顶部工具栏实现视图的快速切换；

可通过图中标记工具实现模型透明显示、测量、显示/隐藏网格；

❆ 网格缩放

通过编辑几何场景可显示/隐藏几何部件，表面，轮廓等；

显示网格并通过测量工具测量模型尺寸，可测得多孔介质区域（圆柱体区域）厚度约为0.3m，可实际上多孔介质区域的的厚度应该为0.03m，所以需要将模型以0.1因子进行缩放，使尺寸正常插值；

通过菜单栏-网格-比例缩放网格-选中所有区域-设定比例因子-应用-完成缩放；

可通过顶部工具栏中的重置视图快速回复以前的缩放域的视图显示；

可重新测量模型尺寸以确定缩放是否成功；

❆ 设置模型

模型定义模拟的主变量，包括压力、温度和速度以及用于生成求解的数学公式；

在此示例中，流体是湍流且不可以压缩，结合使用分离流与标准K-Epsilon湍流模型；

导入网格时，自动将默认连续体命名为物Physics 1；

通过左侧结构树-连续体-选择Physics 1-右键-选择模型，并参照下表依次选择_

禁用自动选择推荐物理模型；

这是因为在这种情况下使用标准的 K-Epsilon 模型，而不是可实现的两层 K-Epsilon模型，这是 STAR-CCM+ 的默认设置；

左侧结构树-连续体-Physics 1-可展开并查看所选择的模型，其由灰色变为蓝色，即表示模型已激活；

❆ 边界条件设置

设定入口为速度入口；

通过区域-Fluid-边界-Inlet-物理条件-湍流指定-将方法设置为强度+长度缩放(Intensity+Length Scale)；

展开初始值并指定适合的速度及湍流参数；

设定出口边界(Pressure)为压力出口，出口表压为0Pa，其他参数保持默认；

该网格文件已经提前设置好了Interface，导入网格文件后不再需要额外的设置，自己进行前处理的小伙伴请注意，是否需要进行相关Interface的创建用于多孔介质区域与流体区域的数据交互；

❆ 多孔介质区域设置

通过左侧结构树-区域-Porous将该区域类型设置为多孔区域；

展开并通过物理条件-湍流指定-将方法设定为强度+长度缩放(Intensity+Length Scale)；

本案例中多孔区域为各向同性介质，惯性阻力系数和粘性阻力系数在各个方向上均为同一常数，采用各向同性张量，设置惯性阻力系数为25kg/m^4，粘性阻力系数为1500kg/m^3·s；

选择湍流强度>常数节点，然后将值更改为0.1；

默认的湍流长度比例为0.01m，适用于本案例，所以不需要更改；

其他参数保持默认值。该案例中只计算稳态情况下多孔区域对速度和压力的影响，不考虑传热等问题，也就是说该计算只涉及到连续性方程和动量方程，不涉及能量方程，孔隙率(Porosity)和弯曲(Tortuosity)在这种情况下没有用到，可以忽略。这类似于在计算稳态传热问题时，材料的密度和比热容可以忽略，即使错误的值也不影响结果。

❆ 设置监视

仿真结束后，应该将仿真结果中整个多孔区域的压降与理论下降值进行对比；

为了达到该目的，我们设定以下监视：

两个多孔界面的平均压力；

整个多孔区域的压降；

整个运行过程通过多孔区域的质量流率；

通过左侧结构树-报告-右键-新报告-表面平均值-创建监测，重命名为Average Upstream Pressure，并设置标量场函数为Pressure(压力)，零部件选择多孔区域(Porous)中的Interface面；

同理，创建多孔介质区域下游界面的压力监视，并重命名为Average Downstream Pressure；

以上两个报告需要用来创建一个表达式，用以表征多孔区域的压降，所以两个报告的名字均使用英文命名；

同理，通过左侧结构树-报告-右键-新报告-质量流量-创建监测，并重命名，以进行多孔介质上游界面的质量流率(Mass Flow Rate)监视；

通过左侧结构树-报告-右键-新报告-表达式-创建一个新的报告并重命名为Porous Region Pressure Drop；

通过属性栏-定义-进入定义界面，并输入${Average Upstream Pressure} - ${Average Downstream Pressure}并确定；

将Porous Region Pressure Drop属性栏中维度项设置压力值为1；

选中Porous Region Pressure Drop-右键-择根据报告创建监视器和绘图，监视器和绘图便会自动添加到左侧结构树中，并自动打开绘图(Plot)并显示空绘区，如果没有自动打开，可通过左侧结构树-绘图-选择需要的绘图并通过右键打开；

同理，质量流率监测也可以根据需要创建监视器和绘图；

❆ 停止标准

通常，基于残差值和监视量指定停止条件，对于该案例，可以定义一个停止条件，用其检查多孔区域压降监视器是否已达到一个稳态值；

通过左侧结构树-监视量-选择Porous Region Pressure Drop Monitor-右键-根据监视器创建停止标准_

左侧结构树-停止标准中，便出现一个名为Porous Region Pressure Drop Monitor Criterion的新节点；

选择该标准，将属性栏中的标准选项设置为渐进，并将渐进极限属性栏中的|最大-最小|设置为0.02；

计算时，当多孔区域压降监视器中的变化达到10次连续迭代小于0.02Pa的范围时，便会停止计算；

本案例中上游交界面的压力预计量为100 Pa，只有在求解几乎达到收敛的时候才会出现这种情况。

❆ 可视化求解

通过左侧结构树-场景-右键-新场景-矢量-创建一个新的矢量场景；

通过左侧结构树-衍生零部件-右键-新零部件-截面-平面-创建一个新的衍生零部件；

参照上图设置，确保已同时选择了流体于和多孔区域（不包括其边界）；

确保平面参数框中的法线矢量已设为[1,0,0]；

在显示框中选择新的矢量显示器；

可通过顶部工具栏-选择视图-来快速进行视图定位，本案例可将视图定为＞-X＞上+Z；

打开截面矢量1，通过-零部件-选择刚创建的名为平面截面的衍生零部件；

打开矢量场景1，右键单击矢量1节点，然后将多余的矢量1删除；

打开轮廓1，在零部件中取消所有选择，便不会再显示任何部件的轮廓线，或者直接右键-切换可见性-使其不再显示；

❆ 运行模拟

可在左侧结构树-绘图-打开需要的绘图；

通过顶部工具栏-运行(Ctrl+R)-开始运行模拟；

❆ 结果可视化/后处理

检查矢量场景，可自行尝试不同的显示效果；

❆ 验证结果

通过左侧结构树-报告-选择相应的报告-右键-运行以查看压降和质量流率数据；

本案例多孔区域压降仿真结果为138.59MPa；

整个多孔区域的质量流率是2.91E-02kg/s，流体密度是1.18415kg/m^3，多孔区的横截面积是0.00786m^2，换算通过多孔区域的速度约3.12m/s；

多孔区域的厚度L=0.03m，结合设置的多孔区域的惯性阻力为25kg/m^4，粘性阻力为1500kg/m^3·s，可求取该多孔区域的理论压降为147.75Pa；

压降理论值147.75Pa与仿真压降139.5MPa对比，差距在10%以内，可以接受；

因为理论压降公式假定多孔介质中恒定的表面速度，在这个比较中，使用的是基于质量流率的平均速度值，表明理论值仅近似于实际压降；

04

讨论

❖本篇章结合Star CCM+官方案例《多孔介质》，对多孔介质(各向同性)功能的使用进行了简要讲解_

❖ 可能会存在描述错误或理解不足等问题，欢迎指正交流_

❖ 码字不易，求赞求关注_

来源：霍同学CAE

附件

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Fluent Star-CCM+多孔介质湍流理论电机材料

著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载

首次发布时间：2024-04-17

Star CCM+案例：多孔介质_01

01 前言

前言

02 问题描述

03 流程解析

04 讨论

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