前阵子推送了一篇STAR CCM+关于自然对流计算的文章，计算结果不尽如人意，然后留言各种喷，说我偏向于Fluent，借Fluent来贬低STAR CCM+，今天进一步探讨一下这个问题。

这个案例我是从Fluent验证文档中拿到的网格，正好STAR CCM+自带案例中也有相同的案例，在Tutorial文档的Heat Transfer and Radiation中，案例名称为Natural Convection: Concentric Cylinders Introduction 。有留言说我STAR用得不好，那就用官方提供的设置方案，这应该没话说了吧，官方提供的案例，设置方案应该是最完美的。

这里官方提供的物性参数和边界条件与Fluent验证案例中略有不同，为避免又有人说我偏袒Fluent，这次所有参数以STAR文档中提供的数据为准。

模型几何尺寸都是一样的，两个同心圆弧，内径1.78 cm，外径4.628 cm。Fluent和STAR在这个案例中都表明验证数据来自文献：

T.H. Kuehn, R.J. Goldstein, “An Experimental Study of Natural Convection Heat Transfer in Concentric and Eccentric Horizontal Cylindrical Annuli”, Journal of Heat Transfer, Vol 100, pp. 635-640, 1978.

该文献可在文末的网盘链接中获取。

然而边界条件却不同，Fluent中内壁面温度373 K，外壁面温度327K。而STAR中内壁面温度306.3K，外壁面温度293.7K。而Fluent文档中给出了两个对称面上的温度测量数据，STAR中给了个等效导热率。不过从文献来看，这两种验证方式都是可以的。这次以STAR CCM+的条件作为验证条件。

由于新版STAR CCM+搞不到案例数据，网格在ICEM CFD中生成。网格数量为138x100。这里加了边界层，第一层网格高度5e-5 m。

注：这里网格添加了边界层。实际上在Fluent验证文档中提供的网格是很粗的，没有添加边界层。而STAR文档中提供的网格添加了边界层。

1  STAR CCM+设置

1.1 物理模型

这里采用案例文档中的设置。文档中模型选择如下图所示。

选择的物理模型后的对话框如下图所示。

1.2 材料参数及参考值

材料设置依然采用文档中给定的数据。

注：这里要求设置参考密度为1.1614及参考压力为100000 Pa

• 材料设置完毕后如下图所示。

• 参考值设置后如下图所示

1.3 边界条件

文档中给定的边界条件如表所示。

• 软件中的设置如下图所示

1.4 Solver Criteria

文档中要求设置Courant数为100.0，设置最大迭代步数为300。

• Courant数设置如下图所示

• 最大迭代次数如下图所示

1.5 定义Report

文档中定义了一个内外壁面换热量的差值用于监测收敛。这里也定义一个。

1.6 计算结果

迭代300步后的温度云图，如下图所示。

表现不错。对于本案例网格数量13800，迭代300步花费时间01:23:40（至强CPUX5650单核计算，内存20G，SSD硬盘）。

从迭代情况来看，如下图所示，300步时热平衡在1.218176e-2。（对于能量守恒来说，理想状态下该值应当为0，因此计算越接近与0表示精度越好）。

实例文档中验证了参考文献里头所提到的等效导热率：

查看报告中外壁面的换热量，如下图所示为2.789682W，本案例计算的是对称几何，因此总换热量keq应为5.58W。

根据公式计算得到qcond = 2.177 w。

因此计算得到等效导热率：

文档中说此值与文献中的值误差低于1%，文献里面提供了计算方式，我这里就懒得去算了。计算方式如下所示。

2 Fluent设置

采用同一套网格进行计算。这里只贴出一些关键设置。未贴出的设置均为默认参数。

2.1 设置重力加速度

• 设置重力加速度为Y方向-9.81 m/s2

2.2 开启能量方程

• 在Models中开启能量方程

2.3 材料参数

• 设定材料参数

注：Fluent中计算自然对流常用不可压缩理想流体，这里假设压力变化量极小，可以增快计算速度。当然非要 用理想流体计算，也是可以的。

2.4 设置参考值

• 与STAR CCM+中的参考值保持一致，设定参考压力与参考密度

2.5 边界条件

• 设置内壁面温度306.3K

• 设置外壁面温度293.7K

2.6 Methods设置

这个是Fluent 2019自动选择的，今天才发现。

注：这里真的是Fluent自动设置的，我没有做任何修改。不信可以用Fluent 2019试试。以前的老版本可能会选择Coupled，但并不会勾选Pseudo Transient。

2.7 初始化

• 这里采用默认初始化

采用的是下图所示的值。

如果对初始值作一些干预，能极大地提高收敛速度，这里采用默认值。

2.8 计算

• 也设置迭代300步

Fluent用时00:25:57，收敛到1e-3，自动停止了。

统计内外壁面热平衡，如下图所示。

热平衡量2.78039-2.78515=0.00476W，前面STAR CCM+计算300步后热平衡是0.0122W，就此打住。

不过外壁面换热量2.78515w与STAR CCM+计算出来的结果2.7896W很接近，由于没有与文献中的值做对比，就不评论了。

3 粗网格情况  

利用上次案例中的网格来试试。看下一篇文章。

喷子们请将两篇文章全部看完了再喷，行不行？

https://pan.baidu.com/s/1iTnMBzDA5D-SOOxy7Dhr_Q 

提取码：hd2h 

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道