流体流和能量准则

网格

体网格的构造直接影响 Simcenter STAR-CCM+ 模拟流体流和能量的准确程度。它影响最终求解的收敛速率和精度。通常，根据以下准则构造体网格：

• 设计网格时在空间梯度较高的区域中提供足够的分辨率。在以下情况下，会出现此类区域：
  • 平均流快速变化。示例包括：灌溉渠道、涡流脱落、强制混合及大气流动。
  • 存在强剪切层。示例包括：大气流动、流体射流、固体流动及强涡旋流。
• 尽可能使网格与流体对齐，从而提高精度和收敛速率。
• 为确保模拟结果与网格无关，使用两个或更多网格执行网格灵敏度研究。

  注	对于大多数复杂湍流流体，湍流在动量和其他标量的传输过程中起主导作用。因此，与涉及层流的模拟相比，涉及湍流的模拟往往更依赖于网格分辨率。

• 对于外部流，执行域收敛研究，以确保在流体边界处发生的情况不会影响求解。例如，如果模拟中的流出边界接近钝体，则流体必须与该边界接触才能从尾流效应中恢复过来。

近壁棱柱层

• 为了最大程度降低近壁区域中的数值扩散，创建壁面棱柱体网格单元层和固体-流体交界面的流体侧。
• 近壁棱柱层的厚度直接影响流体 y+ 值。检查求解中的 y+ 值，并确保这些值处于建议用于选定湍流模型和壁面处理的有效范围内。
• 要高度精确地对边界层建模，对湍流模型使用壁面函数时，在边界层中创建 5-10 个网格单元层。使用低雷诺数湍流模型时，在边界层中创建约 40 个网格单元。

网格单元长宽比

• 避免创建的网格在垂直于壁面的方向上过度延伸。
• 保持网格单元长宽比尽可能小（例如，低于 1000），避免求解器中出现收敛问题。某些问题需要降低网格单元长宽比，例如，涉及固体应力计算的模拟。

混合应用

这些应用通常有两个区域：固定区域和使用旋转参考坐标系的区域。多面体网格的网格单元面可能与流体不对齐，这可能会引入数值扩散。在某些模拟中，此数值扩散可能会导致在固定区域和旋转区域之间的交界面处，体积分数明显不连续。要消除这种不连续性，对这些应用使用切割体网格。切割体网格化会生成与该交界面更加对齐的网格并最大程度降低模拟中的数值扩散。

热物理属性

仅当在模拟中使用能量方程时，以下准则才适用：

• 包括温度对粘度、比热和导热率等热物理属性的影响（如果提供这些信息）。
• 使用温度相关热物理属性时，确保相关的无量纲数保持预期值。无量纲数的示例包括雷诺数和普朗特数。由于普朗特数显式出现在温度壁面函数中，因此壁面热传递预测对热物理属性值非常敏感。
• 使用热物理属性常数（即，与温度无关）时，确保指定相同温度下的所有物理属性。
• 如果普朗特数较小（例如，小于 0.1），在壁面使用适合低 y+ 值的网格。
• 指定辐射热传递的表面属性时，注意在某些情况下，真实表面的属性在使用期间发生明显变化。例如，镀铝盾的发射率因氧化、灰尘或水分的存在而成倍增加，这种情况并不罕见。Simcenter STAR-CCM+ 不会自动捕捉这种发射率变化：如果要模拟此类效应，必须更改表面属性。

边界条件

按照以下准则定义边界条件。

• 选择边界的形状和位置，使流体仅沿一个方向通过边界，即：进入或离开域。避免在流体边界中进行任何再循环。
• 尽量将静压边界选择作为出口边界。
• 如果可能，扩展计算域，使其在主要相关区域的上游和下游存在流体区域。通过这种方式扩展计算域可最大程度地降低边界条件对主要相关区域内的求解的影响。可以在扩展区域中指定较为粗糙的网格，防止计算要求过度增加。
• 在某些模拟中，求解不随所需的边界条件收敛。发生这种情况时，从一组不同的边界条件开始，然后随着模拟继续对其进行更改。例如，求解高马赫数钝体流时，逐渐增加自由流马赫数，而非从最终值开始。
• 选择已知与正在模拟的流体类型兼容的边界类型。例如，对于高度可压缩流，速度入口边界并非适定的类型。

共轭传热 (CHT)

对于涉及在固体和流体中同时进行热传递的应用，有两个选项用于获得固体和流体中的热求解。这些选项包括：

• Simcenter STAR-CCM+ 可以获得固体和流体中的求解。
• Simcenter STAR-CCM+ 只能获得流体中的流体和热求解，并将热信息传递给另一得出固体中的热求解的应用。此布局的一个示例是：Simcenter STAR-CCM+ 在显式耦合模拟中与 Abaqus 交换热数据。

共轭传热建模

对于涉及在固体和流体中同时进行热传递的应用（例如，对热交换器中的流体和固体建模），以下条件适用：

• 流体和固体方程隐式耦合并同时求解。
• 在流体-固体交界面处实施以下表面条件（温度和能量）：
  $$T_{{solid|}_{surface}}=T_{{fluid|}_{surface}}$$
  $$q_{{solid|}_{surface}}=q_{{fluid|}_{surface}}$$
  $${-K\frac{\partial T_{solic}}{\partial n}|}_{surface}=h_f(T_{surface}-T_{ref})+q_{rad}+q_c+\cdots$$

  其中：

  • $n$ 为表面向外法向
  • $K_s$ 为固体导电率
  • $h_f$ 为流体传热系数
  • $T_{ref}$ 为特征流体温度（例如，域平均温度或近壁面网格单元温度）
  • $q_{rad}$ $q_c$ 分别对应于净辐射热通量和因相变而增加的热通量。

使用协同仿真

可以使用单一 Simcenter STAR-CCM+ 模拟获得固体和流体中的热求解，其中，流体和固体在交界面处隐式耦合。或者，可以在单独的模拟中使用协同仿真获得每个求解，其中，流体和固体在交界面处显式耦合并在模拟过程中来回交换数据。

有关详细信息，请参见 STAR-CCM+ 至 STAR-CCM+ 协同仿真。

如果流体时间尺度和固体时间尺度明显不同，可以使用协同仿真。例如，如果流体的湍流强度高且混合均匀，同时固体传导速度缓慢，可以假设流体快速调整以适应壁面温度变化。这种调整实质上相对于固体时间尺度具有瞬时性，因此流体专用模拟可以在稳态模式下运行，固体专用模拟可以在非稳态模式下运行。仅当固体壁面温度发生明显变化时，此布局才可以更新流体求解。

协同仿真可以节省大量运行时间，最新结果表明速度有了明显提高。

如果使用协同仿真，注意以下问题：

• 在协同仿真中，由于流体和固体显式耦合，因此可能会出现收敛问题。确保：
  • 在模拟之间传递正确的信息。

    例如，将热传递系数及其对应的参考温度从流体专用模拟传递到固体专用模拟。将壁面温度从固体专用模拟传递到流体专用模拟。

    尽管可以选择在模拟之间传递其他边界条件（例如，可以从流体专用模拟传递壁面热通量），但是出于数值稳定性目的，不建议使用这些边界条件。

    建议使用以下热传递系数和对应的参考温度：

    • 流体流具有湍流：

      使用 Specified Y+ Heat Transfer Coefficient(指定 Y+ 热传递系数) 和 Specified Y+ Heat Transfer Reference Temperature(指定 Y+ 热传递参考温度)。从 y+ 值 100 开始，但是为了改进收敛行为，可以根据需要尝试使用其他 y+。增加 y+ 会降低 Specified Y+ Heat Transfer Coefficient(指定 Y+ 热传递系数)，而降低 y+ 会增加 Specified Y+ Heat Transfer Coefficient(指定 Y+ 热传递系数)。

    • 流体流没有湍流：

      使用局部热传递系数和 Local Heat Transfer Reference Temperature(局部热传递参考温度)。如有必要，可以通过线性方式将此对转换为另一个改进了收敛行为的对。

  • 使用正确的协同仿真参数。例如，迭代次数、时间步和更新频率。
• 精度降低。损失的精度在很大程度上取决于使用的协同仿真参数和所需的加速量。

协同仿真时间尺度

在协同仿真中，流体和固体系统独立求解：针对每个流体和固体区域求解单独的方程组。某些最常用的流体区域时间尺度如下所示：

• 扩散时间尺度：
  $$t_{f1}=\frac{{L_f}^2}{v}$$
• 惯性时间尺度：
  $$t_{f2}=\frac{L_f}{U_f}$$
• 内力/外力时间尺度：
  $$t_{f3}=\frac{1}{{\omega }_f}$$

固体区域时间尺度：

• 扩散时间尺度：
  $$t_s=\frac{{L_s}^2}{\alpha }$$

时间尺度比为：

$$\left[\frac{t_s}{t_{f1}}\frac{t_s}{t_{f2}}\frac{t_s}{t_{f3}}\right]=\left[\left(\frac{{L_s}^{2}v}{{L_f}^2{\alpha }_s}\right)\left(\frac{{L_s}^2{U}_f}{L_f{\alpha }_s}\right)\left(t_s{\omega }_f\right)\right]$$

其中：

• $L_f$ $L_s$ 分别为流体和固体的特征长度尺度（例如域或网格尺寸）
• $v$ 为流体运动粘度
• $U_f$ 为特征速度尺度（例如域平均速度或网格单元速度）
• ${\omega }_f$ 为特征力频率
• ${\alpha }_s=\frac{K_s}{\rho C_p}$ 为固体扩散率。

运行时加速

隐式耦合（非稳态）CHT 模拟的运行时间为：

$$t_{total}^{IC}=\frac{t_{final}}{\mathrm{\Delta }t}\left(N_{it}{\tau }_{it}\right)$$

其中：

• $t_{final}$ 为模拟结束时间
• $\mathrm{\Delta }t$ 为时间步
• $N_{it}$ 为每个时间步的内部迭代次数
• ${\tau }_{it}$ 为每次内部迭代的 CPU 时间。

显式耦合 CHT 协同仿真的运行时间为：

• 流体（稳态）：短时间尺度
• 固体（非稳态）：长时间尺度

$$t_{total}^{EC}=\left(\frac{t_{final}^s}{t_{ex}^s}\right)[\left(N_{it}^f{\tau }_{it}^f\right)+\left(\frac{t_{ex}^s}{{\mathrm{\Delta }t}^s}\right)\left(N_{it}^s{\tau }_{it}^s\right)]$$

其中：

• $t_{final}^s$ 为固体模拟结束时间
• $t_{ex}^s$ 为固体模拟和流体模拟之间的交换周期
• $N_{it}^f$ $N_{it}^s$ 分别为内部迭代的流体和固体数
• ${\tau }_{it}^f$ ${\tau }_{it}^s$ 分别为每个内部迭代的流体和固体运行时间
• ${\mathrm{\Delta }t}^s$ 为固体模拟时间步。

通常，与隐式耦合 CHT 模拟相比，显式耦合 CHT 协同仿真的运行时加速如下：

$$\frac{t_{total}^{IC}}{t_{total}^{EC}}=\frac{N_{it}{\tau }_{it}{t}_{ex}^s}{\frac{\mathrm{\Delta }t}{{\mathrm{\Delta }t}^s}[{\mathrm{\Delta }t}^s{N}_{it}^f{\tau }_{it}^f+t_{ex}^s{N}_{it}^s{\tau }_{it}^s]}$$

设置协同仿真参数

设置 CHT 协同仿真时，指定各种协同仿真参数，包括：

• 映射模式
• 迭代计数
• 更新频率
• 时间步

为了获得最佳结果，在固体-流体交界面处使用共形网格。共形网格是节点和面在交界面的任一侧上完全匹配的网格。

设置初始参数值

设定这些参数的初始设置后，运行协同仿真。如有必要，可以在这些初始设置附近扰动并查找效果更佳的组合（即，一组提供良好精度并缩短运行时间的参数）。

流体专用模拟（稳态）

• 迭代

  将迭代次数（通常可能是强时间函数）设为实现收敛（即，使残差停止变化）所需的任何值。

固体专用模拟（非稳态）

• 更新频率

  将初始更新频率设为：

  $$f_s=\frac{1}{\beta t_s}=\frac{{\alpha }_s}{\beta L^2}=\frac{K_s}{{\rho }_s{C}_{p,s}{L}^s\beta }$$

  其中：

  • $L$ 为固体的特征长度尺度（例如总长度、半长度、网格尺寸）
  • $\beta$ 为小于 1 的比例因子（例如，0.2 为首选）。
• 时间步

  将固体专用模拟时间步 ${\mathrm{\Delta }t}^s$ 设为更新周期的一部分。例如，如果求解平滑，不急剧升降，则 $\beta t_s/10$ 可能比较合适。

  或者，可以设置更新周期 $\beta t_s$ 与壁面温度的特定变化量（例如，一个周期中的最大变化）同步。这样，更新周期可以在模拟过程中调整自身和时间步。

• 迭代

  将内部迭代次数设为实现收敛所需的任何值。

旋风分离器

本节介绍一些旋风分离器建模准则。对旋风分离器建模时，考虑以下内容：

网格化

为了最大程度减少不需要的数值扩散效应，最佳网格类型为网格单元与旋风周长保持一致的六面体类型。

在 Simcenter STAR-CCM+ 中，可以使用定向网格化功能构造此网格。

湍流模型

需要使用各向异性湍流模型对气旋流动中发生的自由-强制涡流转换进行精确建模。标准 K-Epsilon 模型和其他基于各向同性湍流假设的模型不适用。这些模型容易高估湍流粘度并夸大强制涡流。

边界层分辨率

壁面分辨率并不重要，因为湍流在主流中生成。

冻结求解器

如果应用得当，冻结求解器可能对改进初始模拟稳定性、计算效率和总运行时间大有用处。冻结求解器有所帮助的两种主要情况如下：

• 在模拟的早期，由于瞬态模拟的初始条件或稳态模拟的初始迭代不太符合实际，因此可能会出现收敛问题。此时，可以激活求解器详细说明，从而确切了解每个求解器执行的操作和出现问题的位置。通过冻结与更复杂的物理关联的求解器，可以获得近似收敛求解。此后，每次继续求解时，可以逐个解冻求解器，查看收敛问题是否仍然存在。
• 在模拟的后期，由于物理时间尺度有所不同或完全出于数值原因，某些求解器比其他求解器更快达到渐进状态，不再显著改变求解。

  例如，在典型的共轭传热问题中，流动时间尺度可能非常小，而固体传导时间尺度可能非常大。例如，以厚壁管中的热水流为例。管道内壁的温度快速达到热水温度；流体求解稳定在稳态流动条件。如果唯一解考虑管壁内的热分布，则可以在运行能量求解器时冻结流动求解器。

  对于在稳态模拟中已经达到渐进状态的物理量，可以为模拟的剩余部分冻结求解器。可以为稳态模拟的剩余部分冻结求解器。对于发生瞬态效应的非稳态模拟，求解器的冻结时间不得长于瞬态效应的时间尺度。（即，将求解器冻结一小段时间，然后解冻，查看其渐进状态是否发生变化。根据需要重复该过程）。此工作流的性质类似于协同仿真，但灵活性稍逊。