STAR-CCM+计算二维翼型气动性能

机翼理论主要研究翼型在流体中运动时的力学特性。在工程领域中，机翼以升力面、控制面、叶片或桨叶等形式出现。舰船上的舵、水翼、减摇鳍等都是机翼，螺旋桨、汽轮机叶片和压缩机叶片也都是利用机翼原理工作的，而在研究船舶操纵性时，甚至还可把船体的水下部分看作一个巨大的机翼。

随着航空科学的发展，世界各主要航空发达的国家建立了各种翼型系列。美国有NACA系列，德国有DVL系列，英国有RAF系列，苏联有ЦΑΓИ系列等。这些翼型的资料包括几何特性和气动特性，可供气动设计人员选取合适的翼型。本算例以NACA65(1)-212翼型为例，简单介绍使用STAR-CCM+进行二维翼型气动性能计算的一般步骤。

大多数情况下，翼型的气动性能计算采用二维网格模型。二维网格能够满足计算的需求，同时又不至于消耗过多的计算资源，一定程度上提高计算的效率。STAR-CCM+虽然支持对二维网格模型的求解，但不支持导入二维几何实体，也无法直接生成二维网格，但可以实现三维网格到二维网格的转换。本算例利用STAR-CCM+三维网格转换成二维网格的功能，现在STAR-CCM+中生成三维的翼型绕流网格，再将该三维网格转换成二维网格，最后利用二维网格进行求解。

1、建立翼型几何

右键单击模型树中几何下的3D-CAD 模型，选择新建，在3D设计模式中建立三维翼型实体。右键点击3D-CAD Model 1，选择导入>3D 曲线，选择翼型数据文件。翼型数据必须为.CSV格式文件，且各行数据为以下形式：

每行依次为各数据点的x、y、z三点坐标，中间以英文半角逗号分隔。（上图以Excel打开，但文件类型必须用CSV格式，可以在txt文档中编写，再将后缀格式改为CSV）

点击确定，生成的翼型曲线如下：

右键点击特性下的XY，选择创建草图，建立XY平面上的草图。在草图中右键点击翼型曲线，此时选中的曲线变成品红色，在弹出菜单中选择映射至草图，将3D曲线映射到草图中。

使用创建点命令在翼型尾缘(1，0，0)处放置一个点，右键单击该店，选择应用固定约束，建立固定约束，使该点的位置不变。使用创建中心点圆弧命令建立翼型流场前段的圆弧，以新建立的固定点为圆心，使圆弧的两个端点与圆心同处于一条垂直线上。利用创建线命令建立剩余的线段：

在线段上点击鼠标右键添加约束。给两条垂直线段添加水平约束（Apply Horizontal Constraint），给两条垂直线段添加垂直约束（Apply Vertical Constraint）。同时选中圆心点和垂直线段，右键点击应用距离尺寸添加尺寸，输入尺寸20m；右键点击圆弧，选择应用半径尺寸添加圆弧半径尺寸，输入尺寸10m。点击确定退出草图。

生成的草图自动命名为Sketch 1，树状图中右键点击草图Sketch 1，选择拉伸命令，拉伸草图使之成为实体。在距离中输入1m，不要使用双向拉伸，确保有一个面在XY平面上。

选择翼型壁面的表面，右键重命名，将其命名为Wall。

将半圆表面和流场上下表面命名为Inlet。

将流场尾部的垂直表面命名为Outlet。

将翼型壁面的两条特征曲线命名为Airfoil Curves。

点击关闭3D-CAD，退出3D设计模式。

2、生成流场实体模型

可以看到3D-CAD Model下多出了3D-CAD Model 1，3D-CAD Model 1即为新生成的翼型流程几何模型，我们需要将其转换为实体模型：右键单击3D-CAD Model 1，选择新几何零部件，在弹出的零部件创建选项中将重合容差改为1.0E-8，网格化密度改为非常精细(Very Fine)。此时新生成的实体模型显示为体组下的Body 1，命名的特征曲面和特征线也显示在模型树中。

3、生成翼型流场三维网格

右键单击零部件中的Body 1，选择分配零部件至区域，依次选择：为每个零部件创建区域、为每个零部件创建一个表面、为所有零部件曲线创建一个特征线。区域中的Inlet边界设置为速度进口，Outlet设置为压力出口，Default和Wall保持默认的壁面。

右键单击操作，选择新建>网格>自动网格，在弹出的创建自动网格操作中，零部件选择Body 1，网格生成器依次选择：表面重构、自动表面修复、多面体网格和棱柱层网格生成器。默认控制中，基础尺寸设置为0.8m，面网格增长率1.1，棱柱层数3，棱柱层延伸1.2，棱柱层总厚度0.01m，核心网格优化中的优化循环设置为3，质量阈值设置为0.7。右键自定义控制，选择新建>曲线控制，零部件曲线选择airfoil curve，目标表面尺寸为0.001m，最小表面尺寸为5.0E-4m。

最终生成的三维网格数量约38万。

4、将三维网格转化为二维网格

点击模型树中表示>Volume Mesh>有限体积区域>Body 1 2D可以查看单元网格的信息。

5、选择物理模型

网格转换后，在树状图的连续体下可以看出多了Part Meshes、Physics 1和Physics 1 2D，其中，Parts Meshes是网格模型，Physics 1和Physics 1 2D是物理模型。Physics 1是三维网格的物理模型，这里不需要，将其删除；Physics 1 2D是二维网格的物理模型，右键单击Physics 1 2D，选择模型：

选择物理模型之后，树状图中Physics 1 2D变成激活状态。将物理模型中气体材料属性的密度改为1.225kg/m³，动力粘度改为1.7894E-5Pa-s。

在物理模型中设置初始状态，可以减少迭代次数，加快收敛速度。将湍流指定设置为密度+长度缩放，湍流强度设置为0.01，湍流长度比例设置为0.07m。（湍流长度尺寸L=0.07D，D为湍流充分发展管道的水力直径）

6、设置边界参数

将Inlet边界条件下物理条件的速度指定设置为值+方向，湍流指定设置为密度+长度缩放，物理值的速度幅值设置为22m/s，流向的值设置为[0.9962，0.0872]（攻角为5°），湍流强度设置为0.01，湍流长度比例设置为0.07m。同样的，Outlet边界条件下湍流指定设置为密度+长度缩放，湍流强度设置为0.01，湍流长度比例设置为0.07m。

7、设置监视器

建立升力系数和阻力系数的报告。树状图中报告节点上右键单击，选择新报告>力系数，将新建立的报告命名为Drag Coefficient。将Drag Coefficient的方向改为[0.9962, 0.0872, 0.0]，基准密度改为1.22kg/m^3，基准速度改为22m/s，零部件选择Body 1 2D:Wall。

同样的方法，复制Drag Coefficient，在报告中粘贴，将新建立的报告命名为Lift Coefficient，方向改为[-0.0872, 0.9962, 0.0]。

分别选中Drag Coefficient和Lift Coefficient，右键单击选择根据报告创建监视器和绘图。将停止标准中的最大步数设置为6000。

阻力系数：

升力系数：

压力云图：

翼型的压力系数：

流线图：

攻角为5°的工况下，NACA65(1)-212翼型的升力系数为0.66472，阻力系数为0.01278。

文章来源：OceanCFD