STAR CCM+验证案例｜15 发动机缸内流动

本验证案例计算气缸内流体流动。

1 问题描述

本案例较为简单，计算几何如下图所示。计算模拟理想的发动机气缸内流动情况，计算域包含一个直进口及一个升程10 mm的阀门。采用3D几何模型、稳态等温及不可压缩模拟，利用湍流模型进行计算。 材料介质密度为 894 kg/m3，粘度 0.00152875 kg/m-s，入口速度  0.928156 m/s。

2 STAR CCM+设置

2.1 启动STAR CCM+

• 启动STAR CCM+，并新建工程

• 利用菜单 File → Import → Import Volume Mesh… 导入网格文件 VM15.msh ，计算网格如图所示

案例使用的网格极为粗糙。

2.2 物理模型

• 右键选择模型树节点 Physics 1 ，点击弹出菜单项 Select Models… 打开设置对话框

在打开的对话框中选择以下模型：

• 选择 Three Dimensional
• 选择 Liquid
• 选择 Coupled Flow
• 选择 Constant Density
• 选择 Steady
• 选择 Turbulent
• 选择 K-Omega Turbulence

其他选项采用默认选择，最终如下图所示。

 

注：这个案例用k-epsilon完全算不下去。

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2.3 指定材料参数

• 双击模型树节点 Physics 1 → Models → Liquid → H2O ，弹出材料参数设置对话框

• 如下图所示指定材料介质的密度与粘度

2.4 指定边界条件

• 双击模型树节点 Regions → Boundaries → velocity-inlet-1 ，打开边界条件设置对话框

• 如下图所示设置入口边界条件

其他边界保持默认设置。

2.5 求解计算

• 选中模型树节点 Stopping Criteria → Maximum Steps ，如下图所示指定参数 Maximum Steps 为 2000

• 点击菜单 Solution → Run 开始计算

 

注：案例提供的网格转数量和质量都较差，STAR CCM+很难实现残差收敛。

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3 计算结果验证

计算完毕后可以查看x=0面上速度分布，如下图所示。

网格有点儿粗糙，导致云图出现不连续的情况。

选择z= -0.005m及z=0.01m两条直径的Z方向速度进行验证。

• 右键选择模型树节点 Derived Parts ，点击弹出菜单项 New → Probe → Line Probe 打开线创建面板

• 按下图所示参数设置Z=-0.005m的线，命名为Z=-0.005

• 按下图所示设置Z=0.01m的线，命名为Z=0.01

 

注：本案例中网格过于粗糙，在创建线时，线上的分辨率参数Resolution在后期显示时进行调整。此参数过大或过小都会导致显示的曲线失真。

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

• 如下图所示导入验证数据

• 利用XYPlot输出z=-0.005m线上的Z Velocity沿 Y轴分布，并加载实验数据，调整图形显示，计算值与实验值比较，如下图所示

• 相同方式比较z=0.01m位置z方向速度沿Y轴分布，如下图所示

总体上来说，STAR CCM+表现还不错，在网格数量和质量都非常低的情况下计算结果与测试值基本吻合。特别要提醒的是，本案例使用k-epsilon模型计算结果偏差非常大，而且湍流残差很难收敛。