STAR CCM+验证案例｜13 后向台阶传热

本案例对2D后向台阶的流体流动和对流换热进行了数值模拟。突扩几何导致的流动分离及边界层再附会影响到其后方恒定热流表面的局部换热。本案例利用测量的热流表面的局部Nusselt数分布验证CFD仿真结果。

本案例计算模型如下图所示（图中H=1 m）。采用非均匀四边形网格划分，采用稳态计算，不考虑流体的可压缩性。计算域入口为充分发展流动，其速度采用Profile文件进行指定，确保入口雷诺数为28000，计算中采用k-epsilon湍流模型，并使用标准壁面函数处理湍流。

采用的介质物性参数：

• Density = 1 kg/m3
• Viscosity = 0.0001 kg/m-s
• Conductivity = 1.408 W/m-K
• Specific Heat = 10,000 J/kg-K

壁面热通量 Q= 1000 W/m2。

1 STAR CCM+设置

• 启动STAR CCM+，创建Simulation

1.1 导入网格文件

• 利用菜单File → Import → Import Volume Mesh导入文件VM013.cas ，导入的计算网格如图所示

1.2 选择物理模型

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

在弹出的对话框中选择

• 选中Two Dimensional
• 选择Steady
• 选择Gas
• 选择Coupled Flow
• 选择Constant Density
• 选择Turbulent
• 选择K-Epsilon Turbulence
• 选择Coupled Energy

选择完毕后如下图所示。

1.3 修改材料参数

• 双击模型树节点Continua → Phasics 1 → Models → Gas → Air ，如下图所示设置材料介质参数

1.4 导入Table

• 右键选择模型树节点Tables，点击弹出菜单项New Table → File Table弹出文件选择对话框

• 读取网格文件inlet.csv

注意表格文件inlet_profile.csv中必须要有X、Y、Z列，且这三列表头必须为大写。

1.5 设置初始条件

• 选中节点 Velocity ，指定Value 为 [2.8,0.0] m/s

1.6 设置边界条件

1、velocity-inlet-6边界

• 双击模型树节点Region > fluid-9 > Boundaries > velocity-inlet-6 打开设置对话框

• 在对话框中进行如下设置

2、wall-4边界设置

• 双击模型树节点 wall-4 打开边界条件设置对话框，如下图所示进行参数设置

1.7 设置计算停止条件

• 选中模型树节点 Stopping Criteria > Maximum Steps ，指定 Maximum Steps 为 2000

1.8 进行计算

• 点击菜单 Solution > Run 开始计算

残差如下图所示。

• 速度分布如下图所示

• 压力分布如下图所示

2 结果验证

试验数据为底部边界上的Nusselt数沿x轴的分布。

• 选中节点 Automation > Field Functions > NusseltNumber，指定Reference Temperature为 273 K，指定 Reference Thermal Conductivity 为 1.408 W/m-K

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

• 如下图所示设置曲线参数

• 加载实验数据

对比结果如下图所示。偏差还是有点儿大，原因没找到。

案例源文件下载：https://t.zsxq.com/Ggh1A

（完）