汽车排气歧管仿真（shell模型）

在本教程中，您将研究响应于进入入口的热气体，排气系统薄壁上的温度分布。您将使用shell单元来表示排气系统的壁面。下图显示了案例设置的示意图。

为了准备本教程的几何模型，您首先将排气歧管的 CAD 模型导入 3D-CAD 几何建模器。3D-CAD 提供了一套工具，帮助您准备 CAD 模型，使其适合进行模拟。下图显示了本模拟中使用的几何模型。

在几何部件层面，您将排气歧管的片体转换为shell部件。当您在shell部件上创建网格时，会得到一个单层厚的网格层，您可以在其上求解这些部件的物理场。使用shell单元的主要优势之一是它减少了模拟所需的计算时间和资源。

除了演示 CAD 准备和体网格划分步骤外，本教程还说明了如何为使用薄壁结构的 CHT 模拟设置必要的交界面、物理模型和边界条件。

导入几何模型

在本教程中，您将获得一个排气歧管 CAD 模型。您将几何模型直接导入 3D-CAD，这样您可以在继续设置 Geometry > Parts 之前进行更改。

要将排气几何模型导入 3D-CAD：

1. 创建一个新的 Simcenter STAR-CCM+ 模拟。
2. 选择 File > Import > Import CAD Model into 3D-CAD…。
3. 在 Open 对话框中，导航到下载的教程包中的 heatTransferAndRadiation 文件夹。请参阅从支持中心门户网站下载教程文件。
4. 选择 exhaust pipe.x_t，然后点击 Open。
5. 将 3D-CAD Model 1 节点重命名为 Exhaust Pipe。
6. 将模拟保存为 PartsBasedShells.sim。

为模拟准备排气几何模型

使用 3D-CAD 中的工具清理并准备用于模拟的排气歧管。这些准备工作包括填充端部孔洞和封闭间隙。

1. 右键单击 Exhaust Pipe 节点并选择 (Check Validity)。有效性检查的结果消息将打印在 Output 窗口中。在本例中，将显示以下消息：

All bodies of model are valid.

1. 使用 Fill Surface 操作来封闭入口和出口：

   a) 在 Graphics 窗口中，选择包围第一个入口的边缘。您可以双击单个自由边，以自动选择与其连接的所有自由边。

    

   b) 右键单击其中一条边缘并选择 Fill Surface。Fill Surface 面板出现在 Graphics 窗口的左侧。

   c) 在 Fill Surface 面板中，点击 OK。

   入口孔被一个曲面填充。

    

   d) 重复上述步骤以填充第二个入口。

   e) 按照下图中的标签，将入口面分别重命名为 Inlet 1 和 Inlet 2。

f) 重复相同的过程来填充出口的孔。根据下图，将出口面重命名为 Outlet 1、Outlet 2、Outlet 3 和 Outlet 4。

使用 Search 工具在整个几何体上进行搜索，以查找相互干涉的几何体。

1. 要搜索相交的几何体：

    

   冲突的几何体将显示在图形窗口中。

   以表格形式显示结果以识别哪些几何体存在冲突：

    

   在 Vis 工具栏中，点击 (Save-Restore-Select Views) 并选择 Views > -Y。

   如果放大 Inlet 1，您可以看到 Body 1 和 Body 3 之间存在间隙。

    
1. 关闭表格和 Search Tool。
2. 在 Results 面板中，在 Create 旁边，选择 Table 并点击 OK。默认情况下，结果表出现在 3D-CAD 模拟树和 3D-CAD View 场景之间。

对于本教程，您将使用 Bridge Surface 工具封闭间隙。由于 Body 1 的部分表面与 Body 3 相交，您必须在 Body 1 和 Body 3 上创建平面切割。这些切割会移除重叠的表面，并为 Bridge Surface 工具提供均匀的边缘以生成表面。

1. 为了隔离需要修复的部件，在 Body Groups 节点下，多选 Body 1 和 Body 3，右键单击并选择 Show Only。

2. 要切割 Body 1：

   a) 右键单击 Body 1（直管短段）上离 Body 3 最远的边缘，选择 Reference Geometry > Plane from Curve。
   b) 在 Plane from Curve 面板中，将 Type 设置为 Fitting Plane 并点击 OK。

   c) 在特征树中，右键单击 Plane 1 并选择 Reference Geometry > Plane by Transformation。
   d) 在 Plane by Transformation 面板中，为 Translation Vector 的 Z 分量输入 -0.095 并点击 OK。
   e) 展开 Body Groups 节点，右键单击 Body 1，并选择 Boolean > Slice。
   f) 在 Slice 面板中，设置以下参数：

g) 点击 OK。

1. 要切割 Body 3：

   a) 在特征树中，右键单击 Plane 2 并选择 Reference Geometry > Plane by Transformation。
   b) 在 Plane by Transformation 面板中，为 Translation Vector 的 Z 分量输入 -0.0150 并点击 OK。
   c) 展开 Body Groups 节点，右键单击 Body 3，并选择 Boolean > Slice。
   d) 在 Slice 面板中，设置以下参数：

   参数	设置
   Keep Side	Back Side
   Sketch Planes	Plane 3

   e) 点击 OK。

2. 要封闭间隙：

   a) 在特征树中，多选 Plane 1、Plane 2 和 Plane 3。
   b) 右键单击所选内容并选择 Hide。
   c) 在图形窗口中，多选 Body 1 和 Body 3 之间间隙两侧的自由边。

    

   d) 右键单击所选内容并选择 Bridge Surface。
   e) 在 Bridge Surface 面板中，激活以下选项：

操作的预览将显示在 3D-CAD View 场景中。

f) 点击 OK。

1. 右键单击 3D-CAD View 场景中的空白区域，然后选择 Restore > Hidden Bodies。

几何模型现在已准备就绪，您可以退出 3D-CAD。

1. 点击对象树底部的 Close 3D-CAD 按钮。

   注意： 退出 3D-CAD 时，3D-CAD View 场景会自动关闭。

2. 保存模拟。

创建shell部件

要创建 shell 部件：

1. 右键单击 Geometry > 3D-CAD Models > Exhaust Pipe 节点并选择 New Geometry Part。
2. 在 Part Creation Options 对话框中，激活 Create Shells From Sheets 并点击 OK 接受设置。来自 3D-CAD 模型的片体将被转换并作为 shell 部件添加到 Geometry > Parts 节点下。

一些排气表面用于最终模拟中的流动边界条件。这些表面必须转换为常规部件（而非 shell 部件）。

1. 要将入口和出口从 shell 部件转换为常规（实体）部件：

   a) 展开 Geometry > Parts > Body 1 > Surfaces 节点并选择 Inlet 1 [Back] 和 Inlet 1 [Front]。
   b) 右键单击所选内容并选择 Create New Part From Surfaces。一个新部件被创建并添加到 Parts 节点。
   c) 右键单击该 Part 并选择 Convert to Solid。
   d) 将新创建的 Part 重命名为 Inlet 1。
   e) 以相同的方式，将剩余的入口和出口转换为实体部件。下表指定了每个入口和出口的位置。

   位置	入口和出口表面
   Body 8	Inlet 2 [Back] 和 Inlet 2 [Front]
   Body 4	Outlet 1 [Back] 和 Outlet 1 [Front]
   Body 4	Outlet 2 [Back] 和 Outlet 2 [Front]
   Body 12	Outlet 3 [Back] 和 Outlet 3 [Front]
   Body 12	Outlet 4 [Back] 和 Outlet 4 [Front]

   实体部件列在 Geometry > Parts 节点下，如下所示。

    

2. 右键单击 Scenes 节点并选择 New Scenes > Geometry。一个新的几何场景 Geometry Scene 1 被添加到 Scenes 节点。此场景将自动显示 Geometry > Parts 节点下列出的所有部件。

3. 为流体体积创建一个形状部件：

   a) 右键单击 Geometry > Parts 节点并选择 New Shape Part > Block。
   b) 在 Create Block Part 面板中，设置以下参数（先设置 Corner 2）：

   参数	设置
   Corner 1	[-2, -1, -1] m
   Corner 2	[4, 1, 1] m

   c) 点击 Create，然后点击 Close。

   一个形状部件 Block 被创建并添加到 Parts 节点。
   d) 将 Geometry > Parts > Block 节点重命名为 Fluid Volume。

4. 拆分 Fluid Volume 的表面以便识别边界：

   a) 右键单击 Geometry > Parts > Fluid Volume > Surfaces > Block Surface 节点并选择 Split by Angle。

   b) 在 Split Part Surfaces by Angle 对话框中，点击 OK。

   c) 将 Block Surface 3 重命名为 Inlet，将 Block Surface 6 重命名为 Outlet。

    

5. 保存模拟。

包面处理并检测接触

1. 为 shell 部件创建 Zip Edges 操作：

a) 右键单击 Geometry > Operations 节点并选择 New > Surface Preparation > Zip Edges。
b) 在 Create Zip Edges Operation 对话框中，选择所有 shell 部件并点击 OK。

c) 选择 Operations > Zip Edges 节点并将 Zip Mode 设置为 New Description - Discrete（确认选择）。

Zip Edges 操作仅在您将 Zip Mode 设置为 New Description - Discrete 时支持 shell 部件。

d) 右键单击 Geometry > Operations > Zip Edges 节点并选择 Execute。

1. 为流体体积设置一个包面网格操作：

a) 右键单击 Geometry > Operations 节点并选择 New > Surface Preparation > Surface Wrapper。

b) 在 Create Surface Wrapper Auto Mesh Operation 对话框中，选择所有部件并点击 OK。

c) 将 Surface Wrapper 节点重命名为 Surface Wrapper (All Parts)。

d) 选择 Surface Wrapper (All Parts) 节点并激活以下属性：

Create Weak Contacts With Input Parts
Link Output Part Name（确认选择）

e) 选择 Surface Wrapper (All Parts) > Default Controls > Base Size 节点并将 Value 设置为 0.025 m。

f) 创建并定义一个自定义表面控制，为流体体积指定一个粗网格：

1. 右键单击 Surface Wrapper (All Parts) > Custom Controls 节点并选择 New > Surface Control。
2. 将 Surface Control 重命名为 Surface Control (Fluid Volume)。
3. 选择 Surface Control (Fluid Volume) 节点并点击 Part Surfaces 的自定义编辑器。
4. 在 Surface Control (Fluid Volume) - Part Surfaces 对话框中，选择 Fluid Volume 并点击 OK。
5. 编辑 Surface Control (Fluid Volume) 节点并按如下所示设置自定义控制设置：

g) 右键单击 Geometry > Operations > Surface Wrapper (All Parts) 节点并选择 Execute。

1. 为排气歧管设置一个包面网格操作：

   a) 右键单击 Geometry > Operations 节点并选择 New > Surface Preparation > Surface Wrapper。

   b) 在 Create Surface Wrapper Auto Mesh Operation 对话框中，选择除 Fluid Volume 和 Surface Wrapper (All Parts) 之外的所有部件，然后点击 OK。

   c) 将 Surface Wrapper 节点重命名为 Surface Wrapper (Exhaust)。

   d) 选择 Surface Wrapper (Exhaust) 节点并激活以下属性：

   Create Weak Contacts With Input Parts
Link Output Part Name（确认选择）

   e) 选择 Surface Wrapper (Exhaust) > Default Controls > Base Size 节点并将 Value 设置为 0.02 m。

   f) 右键单击 Geometry > Operations > Surface Wrapper (Exhaust) 节点并选择 Execute。

2. 在排气歧管和流体体积之间创建一个弱接触创建器操作：

   a) 右键单击 Geometry > Operations 节点并选择 New > Surface Preparation > Contact Creator。

   b) 在打开的对话框中，选择Surface Wrapper (All Parts)和Surface Wrapper (Exhaust)，然后点击OK。

   c) 右键点击Geometry→Operations，执行所有。

3. 保存模拟。

创建区域和交界面

本模拟需要三个区域：包围排气歧管的流体区域、用于管内废气的流体区域以及用于 shell 部件的固体区域。为了在区域之间传递热信息，您必须手动创建交界面。

对于此模拟，您将创建四个交界面：

• 废气与流体体积之间的交界面
• 废气与 shell 部件之间的交界面

• shell

   部件与流体体积之间的交界面  
• 用于 shell 部件的枢纽交界面

1. 为流体体积创建一个区域：

   a) 右键单击 Geometry > Parts > Surface Wrapper (All Parts) 节点并选择 Set New Region…。
   b) 将 New Region Name 设置为 Fluid 并点击 OK。
   c) 展开 Regions > Fluid > Boundaries 节点。
   d) 将 Default 节点重命名为 Fluid Wall。
   e) 右键单击 Boundaries 节点并创建一个名为 Inlet 的新边界。
   f) 对于 Inlet 边界，设置以下属性：

   属性	设置
   Part Surfaces	Fluid Volume > Inlet
   Type	Velocity Inlet

   g) 按照相同的过程，创建一个名为 Outlet 的边界并设置以下属性：

   属性	设置
   Part Surfaces	Fluid Volume > Outlet
   Type	Pressure Outlet

2. 为废气创建一个区域：

   a) 右键单击 Geometry > Parts > Surface Wrapper (Exhaust) 节点并选择 Set Region > New…。
   b) 将 New Region Name 设置为 Exhaust Gas 并点击 OK。
   c) 展开 Regions > Exhaust Gas > Boundaries 节点。
   d) 右键单击 Boundaries 节点并创建一个名为 Inlets 的新边界。
   e) 对于 Inlets 边界，设置以下属性：

   属性	设置
   Part Surfaces	选择 Inlet 1 和 Inlet 2
   Type	Mass Flow Inlet

   f) 按照相同的过程，创建一个名为 Outlets 的边界并设置以下属性：

   属性	设置
   Part Surfaces	选择 Outlet 1, Outlet 2, Outlet 3 和 Outlet 4
   Type	Wall

3. 为 shell 部件创建一个区域：
   a) 右键单击 Regions 节点并选择 New > Shell Region。
   b) 将节点重命名为 Shells。
   c) 选择 Regions > Shells 节点并点击 Parts 的自定义编辑器。
   d) 在 Shells - Parts 对话框中，选择所有 shell 部件并点击 OK。

本模拟要求您手动创建四个交界面。

1. 在流体和废气之间创建一个交界面：

   a) 展开 Regions 节点并多选 Fluid 和 Exhaust Gas 区域。
   b) 右键单击其中一个节点并选择 Create Interface > Contact-Mode Boundary Interface。
   c) 选择 Interfaces > Fluid/Exhaust Gas 节点并点击 Contacts 的自定义编辑器。
   d) 在 Fluid/Exhaust Gas - Contacts 对话框中，在 Filter by Path 文本框中输入 Outlet，然后从结果中选择以下接触：

   属性	选择
   Contacts	Outlet 1. Outlet 1/Outlet 1.Outlet 1       Outlet 2. Outlet 2/Outlet 2.Outlet 2       Outlet 3. Outlet 3/Outlet 3.Outlet 3       Outlet 4. Outlet 4/Outlet 4.Outlet 4

   e) 点击 OK。

2. 在流体和 shell 部件之间创建一个交界面：

   a) 展开 Regions 节点并多选 Fluid 和 Shells 区域。
   b) 右键单击其中一个节点并选择 Create Interface > Contact-Mode Boundary Interface。
   c) 选择 Interfaces > Fluid/Shells 节点并点击 Contacts 的自定义编辑器。
   d) 在 Fluid/Shells - Contacts 对话框中，选择所有接触并点击 OK。
   e) 选择 Interfaces > Fluid/Shells 节点并将 Type 设置为 Mapped Contact Interface。

3. 在废气和 shells 之间创建一个交界面：

   a) 展开 Regions 节点并多选 Exhaust Gas 和 Shells 区域。
   b) 右键单击其中一个节点并选择 Create Interface > Contact-Mode Boundary Interface。
   c) 选择 Interfaces > Exhaust Gas/Shells 节点并点击 Contacts 的自定义编辑器。
   d) 在 Exhaust Gas/Shells - Contacts 对话框中，选择所有接触并点击 OK。
   e) 选择 Interfaces > Exhaust Gas/Shells 节点并将 Type 设置为 Mapped Contact Interface。

对于此模拟，您创建一个枢纽交界面，以便可以在 shell 部件之间传递热数据。

1. 为 shell 部件创建一个枢纽交界面：

   a) 右键单击 Interfaces 节点并选择 New Hub Interface > Curve-Mode。
   b) 将节点重命名为 Shells/Shells Hub。

2. 保存模拟。

准备并生成网格

将部件分配给区域并创建交界面后，您可以定义体网格的设置。

1. 对于此模拟，Trimmed Cell Mesher 与 Pris m Layer Mesher 结合使用，为流体体积构建合适的网格。要设置并生成体网格：

   a) 右键单击 Geometry > Operations 节点并选择 New > Mesh > Automated Mesh。

   b) 在 Create Automated Mesh Operation 对话框中：

   分组	网格生成器
   Surface Meshers	Surface Remesher
   Core Volume Meshers	Trimmed Cell Mesher
   Optional Boundary Layer Meshers	Pris m Layer Mesher

   c) 选择 Automated Mesh > Meshers > Trimmed Cell Mesher 节点并激活 Perform Mesh Alignment。

   d) 将 Automated Mesh 节点重命名为 Automated Mesh (Fluid)。

   e) 编辑 Automated Mesh (Fluid) > Default Controls 节点并设置以下属性：

   节点	属性	设置
   Base Size	Value	0.025 m
   Number of Pris m Layers	Number of Pris m Layers	4
   Pris m Layer Stretching	Pris m Layer Stretching	1.3
   Pris m Layer Total Thickness	Size Type	Relative to Base
   Pris m Layer Total Thickness	Percentage of Base	25

   f) 为流体体积创建一个表面控制：

   节点	属性	设置
   Controls	Target Surface Size	Target Surface Size        = Custom
   Controls	Minimum Surface Size	Minimum Surface Size        = Custom
   Values	Target Surface Size	Size Type        = Relative to base, Percentage of Base = 500
   Values	Minimum Surface Size	Size Type        = Relative to base, Percentage of Base = 300

1. 右键单击 Geometry > Operations > Automated Mesh (Fluid) > Custom Controls 节点并选择 New > Surface Control。
2. 选择 Surface Control 节点并点击 Part Surfaces 的自定义编辑器。
3. 在 Surface Control - Part Surfaces 对话框中，选择 Surface Wrapper (All Parts) > Fluid Volume 并点击 OK。
4. 编辑 Surface Control 节点并按如下所示设置自定义控制设置：
5. 点击 OK。
6. 在 Parts 列表中，选择 Surface Wrapper (All Parts)。
7. 在 Select Meshers 中，按顺序选择以下网格生成器：

对于排气歧管内部的网格，使用 Polyhedral Mesher 与 Pris m Layer Mesher 结合。

1. 为排气歧管定义体网格：

   a) 右键单击 Geometry > Operations 节点并选择 New > Mesh > Automated Mesh。

   b) 在 Create Automated Mesh Operation 对话框中：

   分组	网格生成器
   Surface Meshers	Surface Remesher
   Core Volume Meshers	Polyhedral Mesher
   Optional Boundary Layer Meshers	Pris m Layer Mesher

   c) 将 Automated Mesh 节点重命名为 Automated Mesh (Exhaust)。

   d) 编辑 Automated Mesh (Exhaust) > Default Controls 节点并设置以下属性：

   节点	属性	设置
   Base Size	Value	0.02 m
   Number of Pris m Layers	Number of Pris m Layers	4
   Pris m Layer Stretching	Pris m Layer Stretching	1.3
   Pris m Layer Total Thickness	Size Type	Relative to Base
   Pris m Layer Total Thickness	Percentage of Base	25

1. 点击 OK。
2. 在 Parts 列表中，选择 Surface Wrapper (Exhaust)。
3. 在 Select Meshes 中，按顺序选择以下网格生成器：

对于 shell 部件，您定义一个生成四边形网格的 shell 网格操作。

1. 为 shell 部件定义网格：

   a) 右键单击 Geometry > Operations 节点并选择 New > Mesh > Automated Mesh (Shell)。
   b) 在 Parts 列表中，选择所有 shell 部件。
   c) 在 Select Meshers 中，选择 Quadrilateral Mesher。
   d) 点击 OK。
   e) 选择 Geometry > Operations > Automated Mesh (Shell) > Default Controls > Base Size 节点并将 Value 设置为 0.02 m。

现在所有网格设置都已定义，您可以生成体网格了。

1. 在工具栏中点击 (Generate Volume Mesh)，或选择 Mesh 菜单中的 Generate Volume Mesh。网格生成器的运行和进度将显示在 Output 窗口中。

2. 要显示体网格，请在 Vis 工具栏中点击 (Create/Open Scenes) 并选择 Mesh。

3. 保存模拟。

选择物理模型

物理模型定义了模拟中的物理变量和现象。本模拟需要两个物理连续体——一个用于气体区域，一个用于 shell 区域。

要定义物理连续体：

1. 将现有的连续体 Continua > Physics 1 重命名为 Fluid。

2. 创建一个新的物理连续体，命名为 Solid Shells。

3. 选择 Regions > Shells 节点并将 Physics Continuum 设置为 Solid Shells。

Fluid 物理连续体已分配给 Fluid 和 Exhaust Gas 区域。

在此模拟中，您将气体建模为湍流空气，以 450°C 的温度进入入口。要指定定义气体行为的模型：

1. 右键单击 Continua > Fluid 节点并选择 Select Models…。

2. 在 Fluid Model Selection 对话框中，按顺序选择以下模型：

   分组框	模型
   Space	Three-Dimensional (already selected)
   Time	Steady
   Material	Gas
   Flow	Segregated Flow
   Enabled Models	Gradients (selected automatically)
   Equation of State	Ideal Gas
   Energy	Segregated Fluid Temperature
   Viscous Regime	Turbulent
   Turbulence	Reynolds-Averaged Navier-Stokes (selected automatically)
   Reynolds-Averaged Turbulence	K-Epsilon Turbulence
   Enabled Models	Realizable K-Epsilon Two-Layer (selected automatically)
   Enabled Models	Two-Layer All y+ Wall Treatment (selected automatically)
   Enabled Models	Wall Distance (selected automatically)

3. 选择 Fluid > Initial Conditions > Static Temperature 节点并将 Value 设置为 25.0 C。

4. 选择 Fluid > Initial Conditions > Velocity 节点并将 Value 设置为 [1.0, 0.0, 0.0] m/s。

指定定义固体 shells 的物理模型。

1. 右键单击 Continua > Solid Shells 节点并选择 Select Models…。

2. 在 Solid Shells Model Selection 对话框中，按顺序选择以下模型：

   分组框	模型
   Space	Shell Three Dimensional
   Time	Steady
   Material	Solid
   Optional Models	Segregated Solid Energy
   Equation of State	Constant Density

3. 选择 Solid Shells > Initial Conditions > Static Temperature 节点并将 Value 设置为 25.0 C。

为模拟定义物理连续体后，检查交界面。

1. 要显示 shell 部件之间的交界面：

   a) 打开 Geometry Scene 1。
   b) 右键单击 Interfaces > Shells/Shells_Hub 节点并选择 Initialize。
   c) 选择 Shells/Shells_Hub 节点。shell 部件之间的交界面将在图形窗口中高亮显示。

    

2. 保存模拟。

设置边界条件

定义热分析的边界条件。

1. 设置入口处气体的质量流量和温度：

   a) 编辑 Regions > Exhaust Gas > Boundaries > Inlets > Physics Values 节点并设置以下属性：

   节点	属性	设置
   Mass Flow Rate	Value	0.05 kg/s
   Total Temperature	Value	450 C

2. 设置流体区域的边界条件：

   a) 编辑 Regions > Fluid > Boundaries > Inlet > Physics Values 节点并设置以下属性：

   节点	属性	设置
   Static Temperature	Value	25.0 C

3. 保存模拟。

运行模拟

在运行模拟之前，您需要定义停止准则。建议在多核机器（四核）上运行本教程。

1. 在多核上运行：

   a) 保存模拟，然后关闭 Simcenter STAR-CCM+。
   b) 再次启动 Simcenter STAR-CCM+ 并选择 File > Load。
   c) 在 Load a File 对话框中，激活 Parallel on Local Host 并将 Compute Processes 设置为 4。
   d) 点击 Browse 并选择之前保存的 PartBasedShells.sim 文件。
   e) 点击 OK。

2. 在模拟树中，编辑 Stopping Criteria 节点并设置以下属性：

   节点	属性	设置
   Maximum Steps	Enabled	Activated
   Maximum Steps	Value	500

要运行模拟：

1. 在 Solution 工具栏中点击 (Run)。

如果保持运行，模拟将一直持续到完成 500 次迭代。完成后，温度分布如下所示：

1. 模拟运行完成后，保存它。