STAR CCM+验证案例｜12 波形通道内的湍流流动

本案例利用Star CCM+计算波形通道中流体湍流流动。

 

参考数据：J.D. Kuzan, “Velocity Measurements for Turbulent Separated and Near-Separated Flows Over Solid Waves”. Ph.D. thesis. Department of Chemical Engineering, University of Illinois, Urbana, IL, 1986.

”

1 问题描述

案例几何模型如图所示，其底部为正弦曲线，波长1m，波幅为0.1 m。

 

计算中选取周期结构，如图所示的虚线围成的区域。周期区域质量流量为0.816 kg/s，压力梯度为-0.01687141 Pa/m。流经区域的介质密度为 1 kg/m3，动力粘度0.0001 kg/m-s。

本案例求解包含具有分离和再循环、周期边界的湍流流动。

2 STAR CCM+设置

• 启动STAR CCM+
• 利用菜单 File  → Import → Import Volume Mesh… 导入网格文件 wavy.ccm计算网格如下图所示。

2.1 选择物理模型

• 右键选中模型树节点 Continua > Physics 1 ，点击弹出菜单项 Select Models… 打开模型选择对话框

依次选择以下模型：

• 选择Steady
• 选择Gas
• 选择Coupled Flow
• 选择Constant Density
• 选择Turbulent
• 选择K-Epsilon Turbulence选择完毕后的对话框如下图所示。

2.2 设置材料属性

• 右键点击节点 Continua > Physics 1 > Models > Gas > Air > Material Properties ，选择 Edit… 打开参数编辑对话框

• 如下图所示，指定密度为 1 kg/m3，动力粘度为 1e-4 Pa.s

2.3 设置边界条件

1、指定left边界条件

• 选中模型树节点 Regions > fluid-6 > Boundaries > left ，在属性窗口中指定 Type 为 Mass Flow Inlet， 如下图所示

• 选中节点 left > Physics Values > Mass Flow Rate ，在属性窗口中指定 Value 为 0.816 kg/s

2、指定right边界条件

• 点击节点 right ，指定 Type 为 Pressure Outlet ，如下图所示

3、创建周期界面

• 同时选择节点 left 与 right ，点击鼠标右键，选择 Create Interface

• 选择节点 Interfaces > Interface 1 ，在属性窗口中指定 Type 为 Fully-Developed Interface ，指定 Topology 为 Periodic

• 选择节点 Interface 1 > Periodic Transformation ，在属性窗口中指定 Periodicity 为 Translational ，如下图所示

• 选择节点 Physics Conditions > Fully Developed Flow Option ，在属性窗口中指定 Fully Developed Flow Option 为 Pressure Jump

• 选择节点 Physics Values > Pressure Jump ，属性窗口中指定Pressure Jump为 -0.01687141 Pa ，如下图所示

2.4 设置初始值

• 选择节点 Physics 1 > Initial Conditions > Velocity ，在属性窗口中指定参数Value为 [1.0, 0.0] m/s

2.4 求解计算

• 选中节点 Stopping Criteria > Maximum Steps ，指定参数 Maximum Step 为 5000

• 点击菜单 Solution > Run 进行计算

1800步收敛到1e-3，默认求解参数下收敛速度比较慢。

x方向速度分布如图所示。

3 结果验证

3.1 创建监测线

• 右键选择模型树节点 Derived Parts ，点击弹出菜单项 New > Probe > Line Probe 打开设置对话框

• 如下图所示创建衍生部件，命名为 wave_trough

• 相同的方式创建另一个部件 wave_crest

3.2 查看物理量分布

• 右键选择模型树节点 Plots ，点击弹出菜单项 New Plot > XY Plot

• 如下图所示选择曲线生成参数

生成的曲线图如下图所示。

4 数据验证

验证数据来自wave_through及wave_crest上沿y轴方向的无量纲x方向的速度。

• 右键选择模型树节点 Field Functions ，点击弹出菜单项 New > Scalar

• 创建场变量 x-vel-normal 为 $${Velocity}[0]/0.816

• 创建场变量y1-norm，定义为 $${Position}[1]+0.1

• 创建场变量y2-norm，定义为 $${Position}[1]-0.1

• 右键选择节点 Tools ，点击弹出菜单项 New Table > File Table

• 加载两个实验数据表，如下图所示

• 创建XY Plot，如下图所示

• 指定绘图参数，如下图所示

• 指定试验参数，如下图所示

• 波峰计算数据与实验数据比较，如下图所示

• 创建第二个XY Plot，指定仿真计算曲线

• 指定实验数据曲线参数

• 波谷计算数据与实验数据比较

 

偏差有点儿大，没找到问题在哪里，有可能是STAR CCM+对Fluent提供的网格不适应，有时间用STAR CCM+自己生成的网格试试。

”

（完）