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Star CCM+案例:多孔介质_01

6月前浏览12802


-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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FluentStar-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
最近编辑:6月前
霍同学
硕士 | 结构工程师 -仿真的魅力-
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