本案例利用STAR CCM+计算并验证管道内部泊肃叶流动产生的层流压降。

1 案例描述

本案例计算管道内部泊肃叶流动压降。案例几何如图所示。

管道半径0.00125m，长度0.1m，内部介质密度1 kg/m3，粘度1e-5 kg/m-s。管内入口流动为充分发展层流，平均速度为2 m/s。

利用Field Function定义充分发展速度，其表达式为：

解析解来自F. M. White. Fluid Mechanics(7nd ed)，p357。

本案例雷诺数为：

泊肃叶流动摩擦系数：

可得压降：

2 准备UDF

充分发展层流边界需要编辑UDF文件或Profile文件，本案例利用udf进行指定。

编写UDF文件vel.c。

3 Fluent设置

• 以2D、Double Precision模式启动Fluent

3.1 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

3.2 Models设置

本案例采用层流计算，Models节点保持默认设置。

3.3 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，修改其名称为fluid

• 如下图所示，设置Density为1 kg/m3

• 设置Viscosity为1e-5 kg/m-s

• 点击按钮Change/Create修改参数

3.4 解释UDF

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

• 如下图所示，选择UDF源文件vel.c，点击按钮Interpret解释源代码

3.5 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

3.6 Methods

• 鼠标双击模型树节点Methods，右侧面板如下图所示进行设置

3.7 Controls

• 鼠标双击模型树节点Controls，右侧面板如下图所示进行设置

3.8 Monitor

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

3.9 Initialization

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

3.10 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

迭代残差如下图所示，收敛性不佳。

尝试进行FMG初始化。

• TUI窗口输入命令

• solve/initialize/fmg-initialization，如下图所示进行初始化

重新计算，如下图所示，计算32步收敛至1e-4。

4 计算结果

1、速度分布

速度分布如图所示。

2、压降计算

进出口总压统计如图所示。

进出口总压结果如下图所示。

可以看到入口总压12.89Pa，出口总压2.68Pa，则系统总压降10.21 Pa，偏差-0.293%。

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道