本算例演示在STAR CCM+中模拟计算风扇的基本过程。

1 问题描述

计算几何如下图所示。风扇包含20个等间距的以2000 RPM的速度旋转的叶片，风扇其他部分保持静止。空气以5 m/s的速度从进气口进入到计算区域中，并从出口边界离开。

算例先用运动参考系模型进行计算，后面转为刚体运动模型计算。

2 STAR CCM+设置

• 启动STAR CCM+并新建Simulation

2.1 准备文件及网格

• 选择菜单 File > Load，在打开的对话框中加载仿真文件 fan_start.sim

• 右键选择模型树节点 Operations，点击弹出菜单项 Execute All生成计算网格

生成网格如下图所示。

注：案例中对进出口区域进行了拉伸延长。

”

2.2 选择物理模型

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

• 在弹出的对话框中指定以下物理模型
• Three Dimension
• Steady
• Gas
• Segregated Flow
• Constant Density
• Turbulent
• K-Epsilon Turbulent

选择完毕后的模型对话框如下图所示。

2.3 创建运动参考系

• 鼠标右键选择模型树节点 Motion，点击弹出菜单项 New → Rotation

• 如下图所示指定旋转轴方向为**[0,0,1]** ，其他参数保持默认设置

• 选中节点 Rotation Rate，指定旋转速度为 2000 RPM

• 选中节点 Regions > Rotating > Physics Values > Motion Specification node，指定 Reference Frame为 ReferenceFrame for Rotation

2.4 设置初始条件

• 进入模型树节点 Continua > Physics 1 > Initial Conditions，如下图所示指定 Turbulence Specification为 K+Epsilon

• 指定湍流耗散率为 150 m^2/s^3

• 指定湍动能为 1.5 J/kg

2.5 边界条件指定

此处指定入口处的流体速度。旋转区域内的壁面速度不需要更改，参考系会自动定义其运动速度。

• 选中模型树节点 Regions > Blower Surround > Boundaries > Inlet Extrusion.Inlet，指定入口速度为 5 m/s

• 指定节点 under-shaft > Physics Conditions > Tangential Velocity Specification的方法为 Rotation Rate

• 指定壁面转速为 2000 rpm

2.6 设置计算参数

• 选择模型树节点 Solvers > Segregated Flow > Velocity > Under-Relaxation Factor Ramp ，指定 Ramp Method为 Linear Ramp

• 选中节点 Linear Ramp，设置 Initial Value为 0.5

• 相同方式设置Pressure亚松弛因子为Linear Ramp

• 指定 Start Iteration为 1
• 指定 Eend Iteration为 200
• 指定 Initial Value为 0.2

• 选中节点AMG Linear Solver，设置Convergence Tolerance为0.05

2.7 查看计算结果

• 创建Section Plane，指定其为Z平面，如下图所示

• 创建Vector及Scalar，并添加上面创建的Section Plane

2.8 监测物理量

• 右键选择模型树节点 Reports，点击弹出菜单项 New Report > Metrics > Surface Average，如下图所示创建面监控

• 为该节点创建监控

2.9 进行计算

• 点击菜单 Solution → Run进行计算

2.10 计算结果

• 入口面上压力随迭代的变化，在550次迭代后达到稳定

• 切平面上矢量分布

• 切平面上速度分布

3 改用瞬态计算

• 点击菜单 File → Save as…另存文件fan_unsteady.sim

3.1 激活瞬态计算及刚体运动

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

• 取消选项 Steady，选择选项 Implicit Unsteady

选择完毕后如下图所示。

• 选择模型树节点 Regions > Rotating > Physics Values > Motion Specification，指定 Motion为 Rotation

• 选中 Solvers > Implicit Unsteady，指定 Time Step为 8.3333e-5 s

注：风机转速2000 rpm，旋转一圈需要0.03 s。对于旋转机械，一般建议每个时间步旋转1°，因此可以估算时间步长为0.03s/360=8.333e-5 s。本算例计算3圈，即总的计算时长为0.09 s。

”

• 指定最大计算时长为 0.09 s

• 取消激活选项 Maximum Steps，如下图所示

• 创建求解历史，如下图所示

• 切面上速度云图随时间变化

• 切面上压力云图随时间变化