基于STAR_CCM_的简单流体模型CFD研究
液压气动与密封/2010年第10期
基于STAR-CCM+的简单流体模型CFD研究
邱静王国志李玉辉
（西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）
摘要：计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是20世纪60年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。经过半个世纪的迅猛发展，这门学科己相当成熟，各种CFD通用性软件包陆续出现，成为商品化软件，为工业界广泛接受，性能日趋完善，应用范围不断扩大。至今，CFD技术的应用早己超越传统的流体力学和流体工程的范畴，如航空、航天、船舶、动力、水利等，而扩展到化工、核能、冶金、建筑、环境等许多相关领域中去了。STAR-CCM+作为其中杰出的一员，以其简易的操作界面，强大的网格生成技术，最新的数值算法而引领着CFD软件的潮流。STAR-CCM+采用了服务用户的系统，能够实时监控计算中的结果数据（矢量、标量及统计结果图表），工程师还可将任意分析参数（流量、力、温度等）作为计算收敛条件来使用，STAR-CCM+紧扣10亿左右网格的大规模分析为目标，不仅在解算器方面，而且在前后处理器方面也实现了并行化,用户只需在界面上指定机器名和CPU数，就可以全面实现并行处理。
关键字：CFD；STAR-CCM+；网格；后处理
中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1008-0813(2010)10-0008-03
A Simple Fluid Model for CFD Research Based on STAR-CCM+
QIU jing WANG Guo-zhi LI Yu-hui
（School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,China）
Abstract:Computational Fluid Dynamics(CFD)is a rapid rise disciplines with the computer technology.After half a century of rapid development,this disciplines has been very mature.With the various CFD packages being pushed out and being commercial softwares,it has been widely accepted by industry.And its performance is more and more consummate,and its application range is more and more expanded.So far,the applications of CFD technology have been beyond the area of traditional fluid mechanics and fluid engineering,such as aviation,aerospace,shipbuilding,dynamical,water onservancy,etc.but extended to the chemical,nuclear,metallurgical,construction, environment and othes related areas.As one of outstanding member,STAR-CCM+leads the trend of CFD software with its simple interface,powerful mesh generation technology,and the latest numerical algorithms.STAR-CCM+adopts C/S system to monitor the data in computing in time(vector,scalar and statistics chart).Engineers can use any analyzed parameters(flow,force,temperature,ect.) to be calculated convergence conditions.As the goal,STAR-CCM+is closely around the large-scale analysis of1billion grids. Not only in the solver,but also in the pro-process and behind-process,STAR-CCM+has achieved in a https://www.wendangku.net/doc/1315638632.html,ers only need to specify the machine name and the CPU number in interface,and can realize parallel processing generally.
Key Words:CFD;STAR-CCM+;grid;post-processing
0STAR-CCM+简介
STAR-CCM+是CD-adapco公司采用最先进的连续介质力学数值技术（computational continuum mechanics algorithms）开发的新一代CFD求解器。它搭载了CD-adapco独创的最新网格生成技术，可以完成复杂形状数据输入、表面准备——
—如包面（保持形状、简化几何、自动补洞、防止部件接触、检查泄漏等功能）、表面网格重构、自动体网格生成（包括多面体网格、六面体核心网格、十二面体核心网格、四面体网格）等生成网格所需的一系列作业。
STAR-CCM+使用CD-adapco倡导的多面体网格，相比于原来的四面体网格，在保持相同计算精度的情况下，可以实现计算性能约3～10倍的提高。多面体网格克服了传统网格的缺点:①有更多的相邻单元，梯度的计算和当地的流动状况预测更准确；②多面体对几何的变形没有四面体敏感。智能的网格工具使得单元可以自动融合、分裂，或者增加新的点、线、面；③对于回流的流动，例如顶盖驱动的空穴流，多面体的计算精度甚至超出Hexa网格。
利用STAR-CCM+进行CFD计算，基本步骤与其他CFD软件相似：
(1）建立模型。STAR-CCM+软件包中含有STAR-Design模块，用户可以方便的建立各种几何模型。同时，STAR-CCM+也提供了与其他三维绘图软件的接口：UG,Pro/E,SolidWorks等，能完整无缝的导入各种三
收稿日期：2010-04-30
作者简介：邱静，女，硕士研究生，毕业于西南交通大学机械工程学院机械电子工程专业，现从事高压轴向柱塞泵的CFD仿真分析。
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Hydraulics Pneumatics&Seals/No.10.2010维模型。
(2）划分网格。STAR-CCM+的网格功能相当强大，
用户可以根据需要生成各种合适的网格，并进行精细
和优化。也可以直接读入其他软件的网格文件：STL，
IGES，FLUENT等。
(3）设置物性参数和边界条件。STAR-CCM+提供了
非常友好的人机交互界面，用户能方便的设置各种需
要的模型特征参数。
(4）求解运算。用户自行设置计算步长，可直观的根
据残差表的变化调整步长。
(5）观察结果。STAR-CCM+提供了丰富的图形及动画对计算结果进行后处理，带给用户更加直观清晰明了的查看方式。
1举例说明
本文采用一个简单流体模型说明STAR-CCM+的完整应用过程，该模型仿真了稳定空气流通过一三维通道，遇到固定在底部障碍物的情况。
(1)在三维绘图软件中建立模型，本文中使用UG4.0，建立简单流体模型如图1所示。
图1简单流体模型
上述模型中，通道宽度为300mm。
(2)将三维模型导入到STAR-CCM+中，如图2所示。
图2三维模型导入STAR-CCM+
此时导入的模型是一个整体，需要分离出边界不同的区域，并添加边界条件，将物性相似的区域合并在一起，重命名并选择区域类型。该模型分为七个区域：inlet，outlet，topwall，bottomwall，sidewall，symplane，obstruction。将inlet的类型设置为Velocity Inlet，将outlet的类型设置为Flow-Split Outlet，其他边界类型均为wall，如图3所示。
图3生成边界
接下来选择网格模型，该例流道形状规则，选择Surface Remsher和Polyhedral Mesher，为多面体网格。设置相关的网格参数，整个模型长为1200mm，取其十分之一作为Base Size，值为120mm；将Surface Size下的Relative Minimun Size与Relative Target Size分别设为1.0,10.0。由于流道中存在一障碍物，可将此处的网格精度提高，将obstruction区域下的Mesh Condition中的Custom Surface Size选中，并设置Surface Size下的Relative Minimun Size与Relative Target Size分别设为0.1,1.0。本例中其他的网格参数值均采用默认值，这样就设置好了网格参数。点击生成面网格，点击生成体网格，如图4所示。
图4生成网格
至此网格已完成，由图可见在obstruction处网格更加精细。
(3)选择物理模型，该例选择Stationary，Steady，Gas，Segregated Flow，Constant Density，Turbulent，K-Epsilon Turbulence模型。此处采用默认的气体材料参数，将Initial Conditions下的Turbulence Specification改为K+ Epsilon，将Turbulence Dissipation Rate值设置为0.02 J/kg·s，Turbulence Kinetic Energy值设置为0.01J/kg·s。
然后设置边界条件，将inlet区域中Physics Conditions下的Turbulence Specification改为K+ Epsilon，Turbulence Dissipation Rate值设置为0.07 J/kg·s，Turbulence Kinetic Energy值设置为0.024 J/kg·s，将Velocity Magnitude值设置为10m/s。
(4)设置最大计算步长为400，点击进行计算，视图窗口中自动出现Residuals曲线，用户可以根据该图
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液压气动与密封/2010年第10期
判断计算是否收敛，以及所要求情况下恰当的计算步长，如图5所示。
图5残差曲线
(5)观察计算结果，STAR-CCM+提供了丰富的后处理方法，将用户关心的区域数据以图表的方式显示出来，直观易懂。在该例中，我们截取symplane上的速度矢量图，topwall、sidewall、bottomwall与obstruction上的标量图（见图6），以及Z=0平面上的wall shear stress图（见图7）。
图6矢量图与标量图
图7壁面剪切应力曲线2结语
STAR-CCM+中的物理模型与数值算法仍在不断开发与扩充，所能解决的应用领域在不断拓宽。经验表明，用户尽可能地与求解过程进行交互操作，将大大提高工作效率，STAR-CCM+提供的交互式工具包将用户与求解之间的交互能力提高到了一个全新的水平。与上一代CFD软件相比，现代软件工程技术使得STAR-CCM+更可靠。不同的功能模块各自独立创建，模块间不必要的关联降为最低，从而最大程度地避免预料之外的计算结果。每个软件开发周期中，进行了多次的测试与验证。STAR-CCM+着眼于未来20年内工程领域的挑战。专家们对他的概括很简单：STAR-CCM+不仅是个新的解算器，而是CFD的全新尝试。
参考文献
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"""""""""""""""#"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""#"""""""""""""""#赛克思推新品SA6D36高压柱塞泵服务挖掘机日前，宁波广天赛克思液压有限公司（以下简称“赛克思”）正式发布一款新产品——
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