本算例演示在STAR CCM+中设置和分析非牛顿流体通过静态混合器流动的过程。

1 问题描述

静态混合器用于混合流体、不混溶的液体及液体/气体组合。商业应用包括食品生产、石化工业和塑料制造等行业。

算例从简单的混合器模型开始，然后添加更复杂的粘性能量模型，可以在后处理中查看材料介质在混合器中的停留时间以及流体产生的温度。停留时间给出了混合过程的度量。工作温度允许确定混合产生的热量是否在可接受范围内。

计算模型如下图所示。

入口质量流量0.05 kg/s。内部流体介质粘度满足非牛顿流体Carreau-Yasuda特性。

其粘度为：

本算例的流体介质属性，，， Pa.s， Pa.s， s。

2 STAR CCM+设置

• 启动STAR CCM+2021.2并新建Simulation
• 利用菜单File > Import > Import Surface Mesh导入几何文件static_mixer.x_b

2.1 创建区域

• 鼠标右键选择模型树节点 Geometry > Parts > tube，点击弹出菜单项Assign Parts to Regions...

• 弹出的对话框中选择几何部件tube，同时选择Create a Region for Each Part及Create a Boundary for Each Part Surface，点击Apply及Close按钮确认并关闭对话框

• 选中模型树节点Regions > tube > Boundaries > Inlet，设置其Type为Mass Flow Inlet

• 相同方式设置边界Outlet的类型为Pressure Outlet

2.2 生成网格

• 鼠标右键选择模型树节点Geometry → Operations，点击弹出菜单项New → Mesh → Automated Mesh

• 弹出对话框中选中部件tube，选择网格方法Surface Remesher及Tetrahedral Mesher，如下图所示

• 设置Base Size为0.05 m

• 右键选择模型树节点Custom Controls，点击弹出菜单项New → Surface Control添加面网格控制

• 添加控制面为Blade_A、Blade_B及Tube_Wall

• 展开Surface Control > Controls，设置子节点Target Surface Size 及Minimum Surface Size为Custom
• 展开节点Surface Control > Values，设置子节点Target Surface Size 及Minimum Surface Size分别为10及5
• 右键选择模型树节点Operations，点击弹出菜单项Execute All生成计算网格

计算网格如下图所示。

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… 弹出模型选择对话框，选择以下物理模型
• Liquid
• Viscous Flow
• Generalized Newtonian
• Steady
• Residence Time

选择完毕后的模型对话框如下图所示。

2.4 设置材料参数

• 修改节点Physics 1 > Models > Liquid > H2O名称为Polystyrene
• 双击模型树节点Polystyrene > Material Properties，设置以下参数
• 指定密度1500 kg/m3
• 指定粘度方法为Non-Newtonian Generalized Carreau-Yasuda Fluid
• 按下图所示参数指定粘性模型参数

2.5 设置边界条件

• 设置入口边界inlet的质量流量为0.05 kg/s

2.6 创建Scene

• 创建原点为[0 0 0]的X面与Y面
• 创建X面及Y面上的速度矢量显示
• 创建X面及Y面上的Scalar Scene显示Residence Time

2.7 进行计算

• 点击菜单项Solution → Run开始计算

2.8 计算结果

• 停留时间

• 速度矢量

2.9 求解粘性热

• 右键选择模型树节点Physics 1 → Models，点击菜单项Select Models…，在弹出的对话框中选择物理模型Viscous Energy

• 双击模型树节点Models > Liquid > Polystyrene > Material Properties，如下图所示指定参数
• 指定Horizontal Temperature Shift Factor节点下Method为Arrhenius
• 指定Activation Energy为52000 J/kmol
• 指定Reference Temperature为413 K
• 指定Specific Heat为2000 J/kg-K

当存在温度效应时，非牛顿液体模型使用水平和垂直移动因子来调整粘度随温度的变化。当模拟与温度无关时，和均为1。对于聚合物：

式中为温度和参考温度下的粘度。

本算例中利用Arrhenius公式计算：

式中，为活化能，为参考温度。

• 指定入口边界inlet的温度为413 K

计算得到的温度分布如下图所示。

注：本例取自STAR CCM+随机案例，留此备查阅。

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