STAR-CCM+弯管流场特性分析实例

本案例演示采用STAR-CCM+模拟90度弯管内部的流动特性。通过本案例，你将学习以下几个知识点：

• 利用STAR-CCM+生成高质量的结构网格；

• 对于管道内部流动进行CFD分析的一般过程

• STAR-CCM+湍流模型选择

• STAR-CCM+近壁面处理方法

一、问题描述

案例来源是硕士期间第一次接触CFD发表的一篇论文。主要对流体流经弯管，由于在粘性力和离心力的作用，

弯管内流体流动发生畸变的机理及其发展过程规律开展数值研究工作。研究对象为90度弯头，进水口速度已知为5m/s，水温为常温25℃。水管直径为10mm，弯曲率R/D=1.5。模拟水流进入弯管后流体形态畸变的发展过程。

二、仿真目的

获取水流进入弯管后流体在弯管作用下的发生畸变的演变过程。研究引起畸变的机理与涡发展规律，对工业管网系统的设计及弯管的选型提供指导。

• 评估弯管压力损失

• 研究畸变形成与发展过程及其演变机理

三、仿真策略

由于流体温度与环境温度很接近，因此可以将流动过程看作为一个等温过程，且研究目的主要是流体流动的流动特性，因此不考虑温度影响，忽略固体域，直接采用流体域计算。通常模拟流体流动保证流动方向与网格正交收敛效果最好，且不容易出现数值伪扩散的情况。因此，拟采用结构网格计算。

四、CFD过程演示

1、模型前处理

本案模拟模型很简单，几何模型创建这里不在赘述。推荐采用STAR-CCM+自带的3D-CAD建模。这样可以方便后续我们参数化修改我们的模型，进行多个工况仿真，快速得到不条件下，流动特性的对比分析结果。

进行弯管仿真，推荐入口长度为5D，出口长度为10D。以保证流体在管道内部充分发展。最终将管道几何模型导入到【几何/零部件】节点

1.1 在【几何/零部件/tube/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）

1.2 右击【几何/零部件/tube】节点，选择【将零部件分配给区域】，按下图所示进行选择，此时便可将几何零部件传递至【区域】节点

2、划分网格

基于PBM方式，采用定向网格划分方法划分结构网格，由于壁面对流动影响对畸变过程影响较大， 需要精确求解边界层流动。因此需要采用低雷诺数湍流模型。Y+<1.通过计算，第一层网格厚度为5.5e-6m。

通常对于湍流流动工况仿真，推荐在画网格之前，通过计算或者网上相关计算工具计算流动状态：层流还是湍流？预计采用什么湍流模型？近壁面函数选用什么:high_y+ or low_y+or 其它？

第一层边界厚度及雷诺数计算可通过以下网址查询：https://pointwise.com/yplus/index.html

2.1 右击【操作】>【新建】…>【定向网格】，选择【tube】，确定，在【操作】节点下生成一个带有感叹好的【定向网格】节点

2.2  在【源表面】节点【属性】面板中，在【源表面】属性选项选择inlet边界；同理，将出口边界设置为【目标表面】

2.3  右击【定向网格节点】，选择【编辑..】,进入定向网格编辑窗口

2.4  右击【源网格】节点，选择【新建源网格】>【块网格】，选择【tube】,确定，进入块网格边界窗口

2.5 选择下图图标，在源面上形成圆

2.6 选择下图图标，在圆内部画一个四边形（注意，没画完一条边，请按键盘的Esc，推出后在重复划线，）

2.7 选择下图图标，将圆两边等分.按键盘ESC键退出，鼠标选择四边形的顶点，即可通过图2中的坐标移动顶点与圆上四个点对齐的合适位置。本案例保证了四边形顶点距离原上顶点距离为1mm

2.8 在【模式】下选择【快网格】，边（粉色）设置为【18，单面多面体】，正方形边分为【12，常数】源网格如下图2

2.9 在【网格分布】节点，按下图设置【层数】为100

2.10 右击【定向网格】节点，选择【执行】生成体网格

2.11 执行【体网格生成】，进行计算前请检查网格质量。

3、求解设置

3.1 本案例工况为内流流动，通过计算，入口雷诺数大于2500，因此阀门内部流动为湍流流动。

3.2 在【连续体】节点，选择【物理模型】如下图所示 （记得去掉自动选择推荐模型，这样我们可以自己根据需要选择，默认推荐为全y+）

3.3 在【停止标准】节点设置【Maximum Stops】为500

3.4 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

3.5 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 Y+值分布云图，创建【标量视图】，其中，在��建的【场景/标量】节点的【零部件】节点属性面板【零部件】选择【壁面】，【标量场】节点属性面板【场函数】选择【wall y+】

从图中可以看到最大部分y+均位于1附件，最大y+在入口位置大约为3.7<5.因此可以使用低雷诺数模型对近壁面流动进行精确求解。当然你也可再继续减小第一层网格高度来降低y+，让其全部小于1（如果网格数量在接受范围内）

5.2 压力云图

5.3 流线动图

五、总结

本案例所用模型并不复杂，但涉及的流动特性却较为复杂，是一个比较适合用于学习结构网格生成和湍流模型的选择以及STAR-CCM+壁面函数处理方法的案例。通过简单模型深入地练习，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。

STAR-CCM+湍流模型较为丰富，针对不同的工况，综合时间和精度往往需要做出合理的选择。下图给出了STAR-CCM+中湍流模型的计算量与计算进度排序。从上往下，计算量越来越大，对于特定问题的求解精度在一定程度上也越大。

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