本算例演示利用STAR CCM+计算多孔介质问题。

1 模型描述

计算模型如下图所示。计算区域入口气体速度20 m/s，出口采用压力出口边界，静压为零。

几何中心位置包含一个长度为0.03 m，直径0.1 m的圆柱形多孔介质区域。在多孔介质区域内，单位长度的 理论压降可以通过下式来计算：

式中，为通过介质的表观速度；为定义多孔阻力的系数，分别为惯性阻力系数与粘性阻力系数。

阻力系数通常利用试验值进行拟合。本算例中，，。

2 各向同性多孔介质计算

• 启动STAR CCM+并新建Simulation
• 利用菜单File > Import > Import Volume Mesh导入计算网格catalyst.ccm
• 点击菜单Mesh > Scale Mesh，弹出对话框中指定Scale Factor为0.1，点击Apply缩放网格

2.1 选择物理模型

• 右键选择模型树节点Continua → Select Models… 打开模型选择对话框

• 选择以下物理模型
• Gas
• Segregated Flow
• Constant Density
• Steady
• Turbulent
• K-Epsilon

选择完毕后的模型对话框如下图所示。

2.2 边界条件设置

• 双击模型树节点Regions > Fluid > Boundaries > inlet，按下图所示设置参数
• 指定Turbulence Specification方法为Intensity + Length Scale.
• 指定Turbulence Intensity 为0.05
• 指定Turbulence Length Scale 为0.005 m
• 指定Velocity Magnitude为20 m/s

2.3 指定多孔介质参数

• 选中模型树节点Regions → Porous，设置其Type为Porous Region

• 进入节点Porous > Physics Conditions，设置Turbulence Specification为Intensity+Length Scale

• 指定湍流强度为0.1

• 双击模型树节点Physics Values > Porous Inertial Resistance，弹出设置对话框
• 指定Method为Isotropic Tensor
• 指定Value为25 kg/m^4

• 相同方式设置Porous Viscous Resistance节点
• 指定Method为Isotropic Tensor
• 指定Value为1500 kg/m^3-s

2.4 监测物理量

监测多孔介质区域的上下游的压降。

• 右键选择模型树节点Reports，选择New Report > Metrics > Surface Average

• 将新添加的节点Surface Average 1名称修改为Average Upstream Pressure
• 修改节点Average Upstream Pressure中的内容，如下图所示

• 相同方式新建另一个面平均报告，命名为Average Downstream Pressure

• 右键选择模型树节点Reports，点击菜单项New Report > User > Expression创建新的报告，修改名称为Porous Region Pressure Drop

• 设置表达式定义为$AverageUpstreamPressureReport - $AverageDownstreamPressureReport

• 右键选择节点Porous Region Pressure Drop，点击弹出菜单项Create Monitor and Plot from Report

• 右键选择模型树节点Reports，点击菜单项New Report > Flow / Energy > Mass Flow创建Report

• 如下图所示设置质量流量报告的参数
• 设置Parts为Porous > Upstream Interface [In-place 2]

• 右键选择节点Mass Flow 1，点击菜单项Create Monitor and Plot from Report创建绘图

2.5 设置终止标准

• 鼠标右键选择模型树节点Monitors > Porous Region Pressure Drop Monitor，点击弹出菜单项Create Stopping Criterion from Monitor

• 如下图所示设置Criterion Option为Asymptotic

• 设置参数为0.02

采用此限制条件后，求解计算进行过程中，当多孔区域压降监视器中的变化在连续10次迭代中的范围小于0.02Pa时，计算会自动停止。由于上游界面上的压力预计约为100Pa，这应该仅在求解实际上达到收敛时才会发生。

2.6 计算求解

• 点击菜单Solution → Run开始计算

2.7 计算结果

• 监测到的流量随迭代变化

• 压降随迭代变化

• 中面上的速度矢量图

• 中面上的速度分布

3 各向异性多孔介质计算

多孔介质的阻力系数有时是各向异性的，即其沿某一方向具有与其他方向存在数量级上差异的阻力系数。

下面演示当流动主要沿Y轴方向流动时，通过为横流方向，X方向与Z方向，指定较大的惯性阻力与粘性阻力来体现各向异性多孔介质。如惯性阻力系数为：

粘性阻力系数为：

在前面的基础上进行修改。

• 点击菜单项File > Save As，指定文件名称为orthotropicPorousMedia
• 选中模型树节点Continua > Physics 1 > Initial Conditions > Velocity，设置参数速度为**[0 -3 0]**

3.1 指定阻力系数

• Regions > Porous > Physics Values > Porous Interial Resistance

• 双击节点Porous Viscous Resistance

3.2 进行计算

• 点击菜单Solution → Clear Solution…及Initialize Solution… 清除数据并初始化
• 点击菜单Solution → Run开始计算

3.3 计算结果

• 流量监测结果

• 压降监测结果

• 速度矢量分布

• 速度分布云图

• 出口面上速度分布

• 与各向同性阻力计算结果比较

注：本算例取自STAR CCM+随机案例文档。留存备查阅。

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