1 问题描述

计算模型如下图所示。

案例几何模型是在0.21马赫的自由空气流中的一个 NACA型轴对称进气道。在到达发动机表面之前，由进气口捕获的流体被迫进入S型弯管。

注意：为了减少网格数量，案例中没有生成边界层网格，因此计算结果基本上是无粘模拟得到的结果。

”

案例为了演示在STAR-CCM+中如何将分离的网格截面“融合”为连续网格，已事先在三个单独的非一致截面中创建网格。

尽管网格过于粗糙，但模拟结果与S型风管壁上压力的实验数据相比，仍具有良好的可比性。本进气示例使用的网格基于NASA的S型进气管路网格。

2 STAR CCM+设置

• 启动STAR CCM+并新建Simulation

2.1 导入网格

• 利用菜单 File > Import > Import Volume Mesh... 导入计算网格sduct-inlet.ccm, sduct-core.ccm及sduct-outlet.ccm

导入的计算网格如下图所示。

2.2 处理网格与边界

三个区域目前是不连续的，需要对计算网格进行处理，以便于数据能够在不同的区域之间传递。STAR CCM+中有两种方式对这类网格进行处理：

• 创建Internal Interface
• 融合区域与边界

两个方式各有其应用场合。如果后期需要对网格进行处理，则可以选择创建interface，若后期无需对网格进行操作，则可以融合区域。本案例采用融合区域的方式进行处理。

• 同时选中节点Regions下的三个子节点，如下图所示对三个区域进行合并

• 弹出对话框中进行下图所示设置，点击OK按钮合并区域

注意：很多时候可使用Fuse Adjacent Boundaries选项对边界进行融合。但在此例中，默认的容差不适用于所有要融合的边界，所以稍后完成边界融合操作。

”

• 修改节点Fluid-1的名称为Fluid

现在计算区域已合并，还需要融合当前分隔区域的相邻边界。

• 选中节点Free_Stream-4与Free_Stream_32，点击右键菜单Create Interface创建交界面

• 进入节点Interfaces > Interface  > Physics Values > Intersection，设置参数Geometric Tolerance为0.02

• 点击菜单Solution → Initialize Solution进行初始化

• 右键选择节点Interface 1，点击菜单项Delete删除交界面

• 选中节点Free_Stream-4与Free_Stream_32，点击右键菜单Fuse… 打开边界融合对话框

注：边界选择的顺序可能影响融合操作的结果。融合边界时，STAR-CCM+ 会试图采用选择的第二个边界，并将其投影到第一个边界上。因此，在确定要选择进行融合的边界顺序时，应先选择具有精细网格的边界。此操作让 Simcenter STAR-CCM+ 将粗糙的边界投影到精细的边界，以提高网格的效果。如果要按相反的顺序（将精细的边界映射到粗糙的边界）选择边界，可能会失败，因为场景中只会显示融合的边界部分。

”

• 对话框中采用默认设置，点击OK按钮融合边界

• 相同方式融合边界Symmetry-1与Symmetry-7

• 采用默认参数进行边界融合

• 同时选中边界Free_Stream-6及Free_Stream-31，点击右键菜单项Combine合并边界

• 合并Symmetry开头的边界，如下图所示

• 右键选择节点Wall-5，点击弹出菜单项Split Non-Contiguous分割边界

• 按下表为边界命名

2.3 选择物理模型

• 右键选择模型树节点Continua > Physics 1，点击弹出菜单项Select Models…

• 在弹出的模型选择对话框中取消选项Auto-select recommended models，并选择以下模型
• Ggas
• Coupled Flow
• Ideal Gas
• Coupled Energy
• Steady
• Turbulent
• Reynolds-Averaged Navier-Stokes
• K-Epsilon Turbulence
• Standard K-Epsilon
• High y+ Wall Treatment

模型选择完毕后如下图所示。

2.4 设置材料参数

• 如下图所示修改材料参数

2.5 设置边界条件

本案例中，来流马赫数为0.21 Ma，自由流压力98258.18 Pa，温度300 K。使用默认参考压力101325 Pa，因此自由流表压为-3066.82 Pa。

• 双击模型树节点Regions > Fluid > Boundaries > Free_Stream > Physics Value，如下图所示设置入口边界条件

• 双击节点Boundaries > Pressure > Physics Values，如下图所示设置出口压力

• 选中模型树节点Extension_outer >Physics Conditions > Shear Stress Specification，指定Method为Slip

• 选中模型树节点Extension_inner >Physics Conditions > Shear Stress Specification，指定Method为Slip

2.6 设置初始条件

• 鼠标双击模型树节点Continua > Physics 1 > Initial Conditions，如下图所示设置初始条件

2.7 定义场函数

• 右键选择模型树节点Tools > Field Functions，点击弹出菜单项New → Scalar，新建场函数PressureRatio

• 如下图所示定义场变量为$AbsolutePressure/101325.0

2.8 求解计算

• 点击菜单Solution → Run进行计算

3 计算结果

• 对称面上马赫数分布

• 接管位置速度矢量分布

• 新建一个Plane

• 定义Plane参数

注：Input Parts选择Port Wall，这样得到的就是平面与Port Wall边界的交线。

”

• 新建一个XY Plot

• 设置Parts为Plane Section，指定X变量为X轴，指定Y变量为PressureRatio，与实验数据pressure-ratio-port-wall.xy进行比较

注：实验数据来自于Fluid Dynamics Panel Working Group 13. 1991. “Air Intakes for High Speed Vehicles”, Agard Advisory Report 270, pp. 139-162.10.

”

• 计算值与实验值比较

计算结果与实验值吻合较好。