本案例利用STAR CCM+计算水银通过具有均匀热通量壁面的圆形管道内的层流流动现象。（本案例的目的用于与STAR CCM+对比）

1 案例描述

案例模型如下图所示，水银在管道入口处为充分发展湍流速度分布，平均速度为0.005 m/s。利用STAR CCM+计算管道压降及出口中心点位置温度，并与解析解进行比较。案例采用二维轴对称模型计算。管道半径为0.0025 m，管道长度0.1 m。本案例利用ICEM CFD生成全四边形计算网格。

2 介质参数

• 流体介质为水银

• 密度：13529 kg/m3

• 粘度：0.001523 kg/m-s

• 比热：139.3 J/kg-K

• 导热率：8.54 W/m-K

3 边界条件

• 入口条件为充分发展速度，平均速度0.005m/s

• 入口温度：300K

• 壁面热通量：5000 W/m^2

4 解析计算方式

1、压降计算

理论值来自 ：

Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, Frank P. Incropera, David P. DeWitt.Fundamentals of Heat and Mass Transfer [ 7ed. ] . P523。

其中给出了充分发展速度表达式及水头损失表达式。分别为：

2、传热计算

理论值来自Fundamentals of Heat and Mass Transfer [ 7ed. ] . P530，给出：

5 Fluent计算

采用2D轴对称模型进行计算。

• 以2D、Double Precision模式启动Fluent

5.1 General设置

• 鼠标双击模型树节点General，右侧面板激活选项Axisymmetric采用轴对称模型

5.2 Models设置

• 右键选择模型树节点Models > Energy，点击弹出菜单项On激活能量方程

5.3 Materials设置

• 鼠标双击模型树节点Materials > Fluid > air弹出材料属性设置对话框

• 修改Name为hg

• 如下图所示，设置Density为13529 kg/m3

• 设置Cp为139.3 j/kg-k

• 设置Thermal Conductivity为8.54 w/m-k

• 设置Viscosity为0.001523 kg/m-s

• 点击按钮Change/Create修改参数

5.4 解释UDF

• 右键选择模型树节点User Defined Functions，点击弹出菜单项Interpreted…弹出解释对话框

• 选择源文件，点击按钮Interpret进行代码解释

案例采用的UDF代码如下所示。

5.5 Boundary Conditions

1、inlet

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > inlet弹出设置对话框，选择设置Axial-velocity为udf vel_profile，其他参数默认设置，点击OK按钮关闭对话框

2、outlet

• 右键选择模型树节点Boundary > outlet，点击弹出菜单项Type → pressure-outlet设置边界类型为压力出口，其他参数保持默认设置

3、top边界

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > top弹出设置对话框

• Thermal标签页设置Heat Flux为5000 w/m2，如下图所示

• 其他边界采用默认设置

5.6 Methods

• 鼠标双击模型树节点Methods，右侧面板如下图所示进行设置

5.7 Controls

• 鼠标双击模型树节点Controls，右侧面板如下图所示进行设置

5.8 Monitor

• 双击模型树节点Monitors > Residual，弹出设置对话框，如下图所示，设置残差标准为0.0001

5.9 Initialization

• 右键选择模型树节点Initialization，点击弹出菜单项Initialize进行初始化

5.10 Run Calculation

• 鼠标双击模型树节点Run Calculation，右侧面板如下图所示，设置Number of Iterations为5000

• 点击按钮Calculate开始迭代计算

计算在50步收敛到1e-6，计算总耗时2分40秒（至强单核，内存16 G 计算 ）。残差如下图所示。

6 计算结果

1、速度分布

速度分布如下图所示，满足充分发展速度分布。

2、温度分布

3、出口速度

4、出口温度分布

输出数据可查看圆心位置温度为341.566 k。

5、查看压降

统计进出口总压值，如下图所示。

总压值统计结果如下图所示。

计算得到压降为：1.1986683 - 0.2263984 = 0.9722699 Pa

6、压降及出口温度与解析解比较

注：降低残差标准继续往下算，有望进一步提高精度。

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道