本案例利用STAR CCM+演示计算两同心圆柱体之间自然对流问题。

参考文献：T.H. Kuehn, R.J. Goldstein, “An Experimental Study of Natural Convection Heat Transfer in Concentric and Eccentric Horizontal Cylindrical Annuli”, Journal of Heat Transfer, Vol 100, pp. 635-640, 1978.

1 案例概述

案例几何如图所示。两个同心圆管，其中内管半径17.8 mm，温度373K，外管半径46.25 mm，温度327 K。

两管道间的环形空间内介质粘度2.081e-5 kg/m-s，比热1008 J/kg-K，热传导系数0.02967 W/m-K，密度考虑为不可压缩理想气体。研究管道竖直轴线上速度分布（图中的Top与Bottom）

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ex9.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。

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

• 弹出对话框中选择选项Steady

• 选择选项gas

• 选择选项Segregated Flow

• 选择选项Ideal Gas

• 选择选项Segregated Fluid Temperature

• 选择选项Laminar

• 选择选项Gravity

• 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 > Gas > Air，弹出材料属性设置对话框，如下图所示

• 如下图所示设置Dynamic Viscosity为2.081E-5 Pa.s，设置Specific Heat为1008 J/kg-K，设置Thermal Conductivity为0.02967 W/m-K

• 其他参数保持默认设置，点击Close按钮关闭对话框

• 鼠标选中模型树节点Continua > Physics 1 > Models > Gas > Ideal Gas，属性创建激活选项Incompressible

2.5 设置参考值

• 选择模型树节点Continua > Reference Values > Gravity，属性窗口设置Value为[0,-9.81] m/s2

• 选择节点Continua > Reference Values > Reference Density，属性窗口设置Value为1.225 kg/m3

2.6 定义边界条件

1、wall-3设置

• 鼠标选择模型树节点Regions > fluid-7 > Boundaries > wall-3 > Thermal Specification，属性窗口设置Conditions为Temperature

• 如下图所示设置其温度为373 K

2、wall-4设置

• 鼠标选择模型树节点Regions > fluid-7 > Boundaries > wall-4 > Thermal Specification，属性窗口设置Conditions为Temperature

• 设置其温度为327 K

2.7 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

2.8 创建Scene

• 右键选择模型树节点Scenes，点击弹出菜单项New Scene → Scalar

• 设置Scalar 1为Smooth Filled

• 设置Scalar Field为Temperature

2.9 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。

3 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。

• 温度分布（这里计算了7000多步，收敛到1e-14)

• Fluent计算结果（Fluent 2019计算99步收敛至1e-5）

不知道问题出在哪里，不过很显然Fluent计算结果比较靠谱，这里就不做数据验证了，有兴趣的自己验证。

链接：

https://pan.baidu.com/s/1SRGXmsW020kAP52J2wiZ6Q 

提取码：yay1

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道