STAR-CCM+ 14.06
双击桌面图标启动STAR-CCM+ 14.06程序,新建一个simulation,选择Parallel on Local Host,Compute Processes设为2,点击OK,保存模型为plate_multiscale.sim。
右键Geometry > 3D-CAD Models > new,新建3D-CAD Model,导入CAD model,选择plate.stp。
选择冷板进出口所在表面,右键选择Extract Internal Volume,勾选Transfer Names > Face Names,点击OK,完成内流道的提取。
Close 3D-CAD退出。右键Geometry > 3D-CAD Models > 3D-CAD Model 1,右键New Geometry Part,默认设置,点击OK。模型从3D-CAD Model导入到Parts。创建Geometry Scene显示模型。
将PartBody 2重命名为water。右键Default表面,选择Split by Non-Contiguous,Default重命名为inlet,Default 2重命名为outlet,PartBody重命名为wall。
将PartBody重命名为plate。选中Parts > plate > Surfaces > PartBody,右键Split by Patch,选择冷板上表面,命名为flux,点击Create。
点击Operations > New > Boolean > Imprint,全选所有Part,勾选Perform CAD Imprint,Tolerance设为1e-6,右键Execute。
点击Geometry > Descriptions > Imprint,右键Repair Surface,点击OK。
点击Execute All检查表面质量,结果显示无穿刺,无自由边等影响网格划分的缺陷。
同时选中Parts下的plate和water,右键选择Assign Parts to Regions,相关设置如图。
点击Operations > New > Mesh > Automated Mesh,Parts选plate和water,Enabled Meshers选择Surface Remesher、Polyhedral Mesher、Prism Layer Mesher和Thin Mesher。
点击Automated Mesh > Thin Mesher,勾选Customize Thickness Threshold属性。
点击Automated Mesh > Default Controls,Base Size设为10 mm,Number of Prism Layers设为4,Prism Layer Total Thickness > Percentage of Base设为10,Thin Mesher Maximum Thickness > Percentage of Base设为50,Core Mesh Optimization > Optimization Cycles设为2,Quality Threshold设为0.7。
点击Automated Mesh > Meshers > Prism Layer Mesher,Near Core Layer Aspect Ratio设为0.5。
右键Custom Controls > New > Surface Control,重命名为Disable Prism。Part Surfaces选择plate,点击Controls > Prism Layers,选择Disable。
同理,右键Custom Controls > New > Part Control,重命名为Disable Thin。Parts选择water,点击Controls > Thin mesher,选择Disable。右键Operations > Automated Mesh,选择Execute。
点击Continua > New > Physics Continuum,分别创建流体和固体模型。重命名Physics 1为liquid,重命名Physics 2为solid。
分别设置流体和固体模型,其中流体选择Steady,固体选择Implicit Unsteady。
点击Continua > liquid > Initial Conditions > Static Temperature,设为25℃。同理,将solid对应的Static Temperature,设为40℃。
点击Regions > plate,Physics Continuum选择solid,颜色自动变为灰色。
点击Interfaces > plate/water,Type选择Mapped Contact Interface。
点击plate/water > Physics Conditions > Energy Coupling Option,Energy Coupling Option选择Explicit。
点击Regions > water > Boundaries > inlet,Type选择Mass Flow Inlet,Mass Flow Rate设为0.1 kg/s,Total Temperature设为25℃。同理,outlet的Type选择Pressure Outlet。plate/water [1]采用默认设置。
点击Regions > plate > Boundaries > flux > Physics Conditions,设置Thermal Specification条件为Heat FLux,热流密度值设为10000 W/m^2。
plate/water [0]采用默认设置。流体和固体之间通过Mapped Contact Interface传递Mapped Reference Temperature和Mapped Specified Y+ Heat Transfer Coefficient参数,从而实现多时间尺度的耦合,即将流体稳态和固体瞬态的计算结果在Interface界面上进行相互传递。Specified Y+默认值为100,可在Tools > Field Functions > Specified Y+ Heat Transfer Coefficient下查看。
点击Solvers > Steady > Stopping Criteria node,右键New Criterion > Fixed Steps,Fixed Steps设为200。
点击Solvers > Implicit Unsteady,Time-Step设为0.5 s。
点击Solvers > Implicit Unsteady > Stopping Criteria,右键New Criterion > Fixed Physical Time,设为20 s。同理,新建Maximum Inner Iterations,设为5。
点击全局Stopping Criteria,删除Maximum Inner Iterations和Maximum Steps,将Maximum Physical Time设为200 s。
监控冷板Flux表面的最高、最低温度。右键Reports选择New Report > Maximum,重命名为FluxMaxTemp,Parts选择plate > Boundaries > flux,Field Function选择Temperature,Units选择℃。同理,选择New Report > Minimum,重命名为FluxMinTemp,其他设置相同。
监控冷板Flux表面的温差。右键Reports选择New Report > Expression,重命名为FluxDiffTemp,Definition中定义${FluxMaxTempReport}-${FluxMinTempReport},计算温差。
监控系统压降。右键Reports选择New Report > Pressure Drop,重命名为PressureDrop,High Pressure选择inlet,Low Pressure选择outlet,Units选择bar。
同时选中FluxMaxTemp,FluxMinTemp,FluxDiffTemp,右键选择Create Monitor and Plot from Report,点击Single Plot。将新建的Plot重命名为FluxTemp,Title也重命名为FluxTemp。点击Plots > FluxTemp > Axes > Left Axis > Title,修改为Temperature。同理,对Pressure Drop创建Monitor和Plot。
创建一个scalar scene监控温度。选择所有Part,Scalar Field > Function设为Temperature,Units选择℃;Contour Style选择Smooth Filled;Color Bar,将Title Height设为0.04,Label Height设为0.035。
点击Plots > FluxTemp,右键Create Plot Image Annotation。点击Tools > Annotations > Plot Image 1,左键拖拽至Scalar Scene 1,调整格式。
点击Tools > Simulation Operations,右键选择New,重命名为MultiTimeScale Workflow。
点击MultiTimeScale Workflow > Operations,右键New > Clear Solution。
定义一个全局参数记录迭代次数。点击Tools > Parameters,右键New > Scalar,重命名为LoopCounter。
点击Simulation Operations > MultiTimeScale Workflow > Operations,右键New > Set Scalar Parameter,重命名为Reset LoopCounter,Parameter选择LoopCounter。
点击MultiTimeScale Workflow > Operations,右键New > Loop,Predicate Type选择Stopping Criterion Predicate,Stopping Criterion Predicate选择[Maximum Physical Time]。
点击MultiTimeScale Workflow > Operations > Loop > Operations,右键New > Set Scalar Parameter,重命名为Increase LoopCounter,Parameter选择LoopCounter,Value定义为$LoopCounter+1。
点击Loop > Operations,右键New > Solve Continua,重命名为Solve Fluid Continua,Continua选择liquid。同理,创建Solve Solid Continua,Continua选择solid。
监控耦合迭代次数。右键Reports选择New Report > Expression,重命名为Coupling Iteration,Definition定义为$LoopCounter,右键Create Annotation from Report。点击Tools > Annotations > Coupling Iteration,左键拖拽至Scalar Scene 1。
监控流体迭代次数。右键Reports选择New Report > Physics Continuum Iteration,重命名为Iterations: Fluid,Physics Continuum选择liquid。右键Create Monitor from Report。同理,创建Iterations: Solid,Physics Continuum选择solid。
点击Plots > Residuals,重命名为Fluid Plots,X-Axis Monitor选择Iteration: Fluid Monitor。
点击Monitors > Energy,右键Create Plot from Monitor。点击Plots > Energy Plot,X-Axis Monitor选择Iteration: Solid Monitor。
在菜单栏点击Set Active Simulation Operations,选择MultiTimeScal Workflow。
点击Tools > Simulation Operations > MultiTimeScale Workflow,右键select Play/Resume。
Fluid Plots曲线。流体稳态计算,迭代200步一个循环。
Energy Plot曲线。固体瞬态计算,内迭代5步,时间步长0.5 s,20 s一个时间循环,也即迭代200步一个循环。
Pressure Drop曲线。压降在小范围内波动,但每次迭代都达到收敛。
温度场云图。通过Run Report可知,FluxMaxTemp为27.9 ℃,FluxMinTemp为26.3 ℃,FluxDiffTemp为1.63 ℃。Coupling迭代总计10步,但从FluxTemp曲线看,耦合迭代4步,约80 s时,温度已经趋于稳定。对于复杂模型的计算,通过合理的调整求解参数,采用多时间尺度耦合仿真方法可以提高整体的计算效率。
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