STAR CCM+验证案例｜14 同轴射流组分混合

本案例验证利用STAR CCM+的多组分模型计算两种不同组分混合问题。

1 案例概况

本案例要计算的问题如图所示，丙烷及空气以不同的速度从同心入口进入到计算区域中，计算并验证轴线上丙烷速度分布。案例采用轴对称模型进行计算。

案例采用稳态计算，涉及组分包括丙烷、氧气和氮气，不考虑化学反应。

2 STAR CCM+设置

2.1 新建仿真

• 启动STAR CCM+并创建项目

• 利用菜单 File → Import → Import Volume Mesh… 导入网格文件VM014.cas

计算网格如下图所示。

入口局部网格如下图所示。

2.2 选择模型

• 右键选择模型树节点 Physics 1 > Models ，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，进行以下选择：

• 取消选项 Two Dimension
• 选择选项 Multi-Component Gas
• 选择 Non-reacting
• 选择 Segregated Species
• 选择 Axisymmetric
• 选择 Ideal Gas
• 选择 Segregated Fluid Temperature
• 选择 Steady
• 选择 Turbulent
• 选择 K-Epsilon Turbulent

选择完毕后如下图所示。

2.3 材料介质参数

• 右键选择模型树节点 Multi-component Gas → Select Mixture Components… 打开材料选择对话框

• 在对话框中选择材料 C3H8、O2、N2 ，点击 Apply 按钮确认选择

• 右键选择模型树节点 Multi-component Gas → Reorder Mixture Components… 打开对话框

• 在弹出的对话框中，利用鼠标将N2拖拽到列表框的最下方

• 双击节点 Multi-Component Gas > Material Properties > Dynamic Viscosity 打开设置对话框

• 设置混合物粘度为 1.72e-5 Pa-s ，点击 Close 按钮关闭对话框

2.4 导入表格

• 右键选择模型树节点 Tools → Tables ，点击弹出菜单项 New Table → File Table 打开表格文件导入对话框

• 如下图所示导入文件

 

注意：csv文件中的表头，如果有xyz之类表征坐标的变量，则这些变量必须采用大写XYZ。

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2.5 指定初始条件

• 双击节点 Initial Conditions 弹出初始条件设置对话框

• 如下图所示设置初始组分分布及初始速度

2.6 设置边界条件

1、velocity-inlet-7边界

• 双击模型树节点 Regions → fluid-9 → Boundaries → velocity-inlet-7 打开设置对话框

• 如下图所示设置边界条件，其中速度采用表格中的数据

2、velocity-inlet-8

• 双击模型树节点 velocity-inlet-8 打开设置对话框，如下图所示设置边界参数

 

注：这里设置o2质量分数为0.23，n2质量分数为0.77

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3、outflow-6

采用默认设置。

2.7 设置计算

• 点击模型树节点 Stopping Criteria ，指定参数 Maximum Steps 为 1000

• 点击菜单 Solution → Run 开始计算

3 计算结果

• 计算残差变化

• 入口附近C3H8质量分数分布

• 入口附近速度分布

• 提取轴线边界axis-4上C3H8质量分数变化曲线，并与试验数据进行比较。如下图所示

• 轴线边界axis-4上x方向速度变化曲线

这偏差不是一般的大，计算结果基本不能用。经过多方调整误差依然很大，后面将湍流模型改成了k-omega，采用coupled Flow方法，计算结果好了很多（见案例文件中的VM14_Couple.sim）。

• 采用SST k–omega湍流模型的计算残差

• 采用SST k–omega湍流模型计算得到的轴线上C3H8质量分数与试验值比较

• 轴线上X方向速度变化曲线与试验值比较

下面是Fluent中得到的C3H8的质量分数的计算值与实验值比较结果（链接: https://pan.baidu.com/s/1c_TkDNINpARvwO9uJ7Pi7A 密码: 9vk5），虽然STAR CCM+使用komega湍流模型也能达到Fluent的计算精度，但Fluent的收敛速度是真的快啊，几十步就收敛了。STAR CCM+在湍流计算方面还是弱了不少。

总体上来说，STAR CCM+还是能够实现目标的，不过湍流模型要选对才行。不过扎心的是Fluent用Realizable k-epsilon模型也能很好地吻合试验结果，但STAR CCM+的Realizable k-epsilon模型就不知道问题出在哪里了，死活都调不到目标结果。以后还是少用k-epsilon模型好了。

 

案例文件下载： https://t.zsxq.com/Ggh1A

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4 引用文献

案例的试验数据来自以下文献：

1. R.W. Schefer, R.W. Dibble, “Simultaneous Measurements of Velocity and Density in a Turbulent Non-premixed Flame”. AIAA Journal, Vol 23, pp. 1070-1078, 1985.
2. R.W., Schefer, “Data Base for a Turbulent, Nonpremixed, Nonreacting Propane-Jet Flow”. http://www.sandia.gov/TNF/DataArch/ProJet.html

（完）