本案例利用STAR CCM+计算管道内非牛顿流体流动压降。

1 案例概述

参考资料:W.F. Hughes and J.A. Brighton. Schaum's Outline of Theory and Problems of Fluid Dynamics. McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, NY. 1991.

本案例描述的模型如图所示。

其中管道长度0.1m，直径 0.0025 m，入口速度2m/s，管道出口为静压为0的压力出口。流经管道中的介质密度 1000 kg/m3，动力粘度为幂律流体。

其中，k=10，n=0.4。

2 STAR CCM+设置

2.1 启动STAR CCM+

• 启动STAR CCM+，点击菜单File → New…弹出设置对话框，如下图所示保持默认设置，点击OK按钮新建仿真

2.2 导入网格

本案例网格由ICEM CFD生成。

• 点击菜单File → Import → Import Volume Mesh…，在弹出对话框中选择网格文件ex5.cas导入网格

• 右键选择模型树节点Scenes，点击弹出菜单项New Scene → Mesh，如下图所示

图形窗口中显示导入的网格，如下图所示（取其中一段）。

注：网格来自Fluent验证文档，从图中看出，并没有添加边界层。

2.3 添加物理模型

• 右键选择模型树节点Continua → Physics 1，点击弹出菜单项Select models…，弹出设置对话框

• 取消选项Two Dimensional，选择选项Axisymmetric

• 弹出对话框中选择选项Steady

• 选择选项liquid

• 选择选项Viscous Flow

• 选择选项Generalized Newtonian

• 其他参数保持默认设置，如下图所示，点击Close按钮关闭对话框

2.4 材料设置

• 鼠标双击模型树节点Continua > Physics 1 > Models > Liquid > H2O，弹出材料属性设置对话框，如下图所示

• 设置密度为1000kg/m3

• 设置Dynamic Viscosity的Method为Non-Newtonian Generalized Power Law，设置Consistency Factor为10，设置Power Law Exponent为0.4

• 其他参数保持默认设置，点击Close按钮关闭对话框

2.5 定义边界条件

1、inlet设置

• 鼠标点击模型树节点Region > FLUID > Boundaries > INLET > Physics Values > Average Velocity，属性窗口中设置2 m/s，如下图所示

2、OUTLET设置

• 鼠标选中模型树节点Boundaries > OUTLET，属性窗口设置Type为Pressure Outlet，如下图所示

2.6 设置迭代次数

• 鼠标选中模型树节点Stooping Criteria，属性窗口设置Maximum Steps为20000

注：这里没有设置其他的残差标准

2.7 开始计算

• 点击工具栏按钮Run开始计算

达到计算终止条件后，计算自动停止。

2.8 计算结果

非牛顿流体计算中无法直接提取压降，这里可以采用自定义压降的方式计算。

• 右键选择模型树节点Tools > Filed Functions，点击弹出菜单项New → Scalar创建标量表达式，命名为P_total

注：这里也可以创建矢量表达式，但创建标量要更加简单，也更容易理解。

• 属性窗口中点击Definition右侧按钮，弹出变量定义对话框

• 如下描图所示，变量定义对话框中指定速度表达式为${Pressure} + 0.5*${Density}*$${Velocity}[0]*$${Velocity}[0]，如下图所示

• 右键选择节点Reports，点击弹出菜单项New Report → Surface Average定义报告

• 如下图所示，将报告命名为Total Pressure，指定Field Function为P_total，选择Part为inlet与outlet

• 鼠标右键选择节点TotalPressure，点击弹出菜单项Run Report运行报告

进出口总压值如下图所示。

得到压降值为：63005-2454.71 Pa = 60550 Pa。

与文献值验证如表所示。

仿真计算值与目标值较为吻合。

注：文献中采用的是充分发展入口条件，而这里采用的是均匀入口。STAR CCM+采用非牛顿流体介质时，无法定义充分发展入口条件。

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道