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 STAR CCM+设置

2.1 启动STAR CCM+

• 启动STAR CCM+，点击菜单File → New…弹出设置对话框，如下图所示保持默认设置，点击OK按钮新建仿真

2.2 导入网格

本案例网格由ICEM CFD生成。

• 点击菜单File → Import → Import Volume Mesh…，在弹出对话框中选择网格文件ex5.cas导入网格

• 右键选择模型树节点Scenes，点击弹出菜单项New Scene → Mesh，如下图所示

图形窗口中显示导入的网格，如下图所示（取其中一段）。

注：网格来自Fluent验证文档，从图中看出，并没有添加边界层。

2.3 添加物理模型

• 右键选择模型树节点Continua → Physics 1，点击弹出菜单项Select models…，弹出设置对话框

• 取消选项Two Dimensional，选择选项Axisymmetric

• 弹出对话框中选择选项Steady

• 选择选项Gas

• 选择选项Segregated Flow

• 选择选项Constant Density

• 选择选项Laminar

• 其他参数保持默认设置，如下图所示，点击Close按钮关闭对话框

2.4 材料设置

• 鼠标双击模型树节点Continua > Physics 1 > Models > Gas > Air，弹出材料属性设置对话框，如下图所示，设置密度为1.225 kg/m3，粘度为1.7894e-5 Pa-s

2.5 定义函数

• 右键选择模型树节点Tools > Filed Functions，点击弹出菜单项New → Scalar创建标量表达式，命名为U

注：这里也可以创建矢量表达式，但创建标量要更加简单，也更容易理解。

• 属性窗口中点击Definition右侧按钮，弹出变量定义对话框

• 如下描图所示，变量定义对话框中指定速度表达式为4*(1-pow($${Centroid}[1],2)/0.0025/0.0025)，如下图所示

2.6 定义边界条件

1、inlet设置

• 鼠标点击模型树节点Region > FLUID > Boundaries > INLET > Physics Values > Velocity Magnitud，属性窗口中设置Value为50 m/s

• 鼠标点击模型树节点Region > FLUID > Boundaries > INLET > Physics Conditions > Velocity Specification，属性窗口中设置Method为Component

• 如下图所示，点击节点Region > FLUID > Boundaries > INLET > Physics Values> Velocity > Composite > X Component，属性窗口中设置Method为Field Function，设置Scalar Function为U

2、OUTLET设置

• 鼠标选中模型树节点Boundaries > OUTLET，属性窗口设置Type为Pressure Outlet，如下图所示

2.7 查看压降

• 鼠标右键选择模型树节点Reports，点击弹出菜单项New Report > Pressure Drop

• 性窗口中设置High Pressure为INLET，设置Low Pressure为OUTLET，如下图所示

• 右键选择模型树节点Reports > Pressure Drop 1，点击弹出菜单项Create Monitor and Plot from Report创建监控及曲线显示

2.8 设置迭代次数

• 鼠标选中模型树节点Stooping Criteria，属性窗口设置Maximum Steps为20000

注：这里没有设置其他的残差标准

2.9 开始计算

• 点击工具栏按钮Run开始计算

下图所示，计算收敛状况良好。

压降输出数据如下图所示，可以看出大约在316步迭代之后压降数据保持稳定为10.23 Pa，与理论计算结果10.24Pa极为吻合。

从之前计算湍流的案例来分析，STAR CCM+计算层流精度是极高的。

链接：

https://pan.baidu.com/s/1lP0GIPDGJB0-CgNEHjJY1w 
提取码：o3s1

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