STAR-CCM+与FLUENT对钝体绕流模拟结果的比较分析

与FLUENT对钝体绕流模拟结果的比较分析杨琪1，张继健2*作者简介：杨琪（1982-），博士，副教授，主要研究方向：流体力学数值模拟.E-mail:[e-mail]（1.中国矿业大学电力学院，徐州221116；52.中国矿业大学安全工程学院，徐州221116）摘要：STARCCM+和FLUENT是两款知名度较高的相对成熟的商业CFD软件，为比较两者在钝体可压缩外部绕流方面的计算差异，针对同一算例，采用相同的参数设置进行计算。结果表明：在耦合求解器方面，STARCCM+8.04的收敛速度比FLUENT14.0要快；两款10软件的计算结果存在比较明显的差异，FLUENT14.0计算得到钝体后方马赫数和速度均比STARCCM+8.04计算的大；在后处理方面，FLUENT14.0得到云图更为美观，优势比STARCCM+8.04明显。关键词：流体力学；外部绕流；耦合求解器；数值模拟中图分类号：O35415TheComparativeAnalysisofSTARCCM+andFLUENTSoftwaretoSimulatetheFlowAroundaBluntBodyYANGQi1,ZHANGJijian2(1.SchoolofElectricPowerEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou20221116;2.SchoolofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116)Abstract:STARCCM+andFLUENTarerelativelytwohigh-profilematurecommercialCFDsoftware.Tocomparethecalculationdifferencesuponthetwoonthecompressibleflowaroundthebluntbody,thesameexamplewasusedtocalculatewiththesameparameters.Theresults25showthat:intermsofcoupledsolver,STARCCM+8.04hasfasterconvergencespeedthanFLUENT14.0.Thecalculationresultsofthetwosoftwareexistobviousdifferences.TheMachnumberandspeedbehindthebluntbodycalculatedbyFLUENT14.0arebiggerthanthecalculationofSTARCCM+8.04.Intheaspectofpost-processing,thecloudpicturecalculatedbyFLUENT14.0ismorebeautiful,soFLUENT14.0hasanadvantagethanSTARCCM+8.04at30thisaspect.Keywords:fluidmechanics;externalflow;coupledsolver;numericalsimulation0引言钝体外部绕流是生产生活中经常遇到的现象，也是CFD计算中经常遇到的问题，如汽35车、飞行器、船舶外流场计算[1-4]。对于此问题，通常涉及到的计算模型较为复杂，人工编程求解较为困难，而利用商业CFD软件求解则简单易行。现已发行的商业CFD软件较多，STARCCM+和FLUENT是其中两款较为出名且用户较多的CFD软件。对于不同的CFD软件，收敛速度和计算精度往往是研究者和工程师所关心的主要问题。因此，为比较STARCCM+和FLUENT计算的差异，对同一钝体外部绕流算例，利用STARCCM+8.04和40FLUENT14.0软件分别进行计算，并比较分析两者的计算结果。帮助文档所带的算例模型，模型为长0.4065m、宽0.1776m、高0.1776m的长方体，中间为一尺寸很小的障碍物。由于对称性，仅选取1/4的模型进行求45解计算。几何模型及边界名称如图1所示。利用STARCCM+特色的网格划分工具划分多面体网格，在障碍物周围生成5层边界层网格，共生成12443个网格单元[5]。网格划分如图2所示。将生成的网格分别导入STARCCM+和FLUENT进行计算。图1几何模型及边界名称图2网格划分50Fig.1GeometricmodelandbordernameFig.2Meshgeneration1.2边界条件及模拟过程为确保模拟结果的可比较性，两款软件需尽可能设置相同的模型参数及边界条件。该流动介质设为可压缩理想气体，流态为湍流，理想气体的物性参数参考STARCCM+的默认值，两款软件设置相同的值。对于本算例，两款软件均采用耦合求解器解算，使用可实现的55k-epsilon双方程湍流模型[6]，模拟均采用速度入口和压力出口，参考压力均为一个大气压（101325Pa）。设置的主要模型参数和边界条件分别如表1和2所示。模拟采用i52.5GHzCPU、4G内存的PC机单核计算。表1主要模型参数Tab.1Themainparametersforthemodel60STARCCM+8.04FLUENT14.0求解器CoupledDensity-Based稳态/瞬态稳态稳态湍流模型RealizableK-EpsilonTwo-LayerRealizableK-Epsilon壁面函数Two-LayerAlly+WallTreatmentScalableWallFunctions库朗数55松弛因子默认默认残差标准默认默认最大迭代步数40004000表2主要边界条件Tab.2ThemainboundaryconditionsSTARCCM+8.04FLUENT14.0中国科技论文在线入口速度（m/s）300300入口温度（K）344.8344.8入口湍流强度（%）11入口湍流粘性比5050出口压力（Pa）00出口温度（K）300300出口湍流强度（%）11出口湍流粘性比5050障碍物壁面无滑移无滑移外部壁面滑移滑移2模拟结果对比分析（a）STARCCM+8.04迭代残差（b）FLUENT14.0迭代残差65图3残差图Fig.3Residual两款软件进行4000步迭代后计算结果均未达到收敛标准，其残差图分别如图3（a）和（b）所示。由图3可知经过4000步迭代后，STARCCM+的计算残差已经水平，在某个固定值上下小幅波动，残差值均在3×10-5以下，监测的升力系数基本不变，因此可认为计算70结果已收敛。FLUENT的计算残差依然保持下降趋势，因此需继续迭代，经10000步迭代后，残差及升力曲线基本水平，可认为计算收敛。（a）STARCCM+计算得到的马赫数分布（b）FLUENT计算得到的马赫数分布图4马赫数分布75Fig.4ThedistributionofMachnumber两款软件计算得到的马赫数分布如图4所示。由图4可知，两款软件计算得到的马赫数在钝体后方的分布差别较大，FLUENT软件计算得到的钝体后方的马赫数较大。中国科技论文在线（a）STARCCM+计算得到的速度分布（b）FLUENT计算得到的速度分布80图5速度分布Fig.5Thedistributionofspeed两款软件计算得到的对称面上速度分布如图5所示。由图5可知，两款软件计算得到钝体上表面均存在激波，但FLUENT计算得到的最大速度较大，比STARCCM+计算的大约26m/s。在钝体后方，FLUENT计算得到的速度也比STARCCM+计算的大。853结论（1）基于耦合求解器的可压缩外部绕流计算，STARCCM+8.04和FLUENT14.0的收敛都较为困难，但对于本算例，在基本相同的参数设置条件下，STARCCM+8.04的迭代步数明显较少。（2）对于同一算例，STARCCM+8.04和FLUENT14.0的计算结果存在比较明显的差90异，由于缺少实验数据的验证，因此不能简单地评价两款软件在计算精度方面的优劣。此外，此次算例模型网格数相对较少，可能对结果的精度产生一定影响，在后续研究中应考虑加密网格。（3）在后处理方面，STARCCM+8.04得到的云图不光滑，受网格的影响较大，有待完善，而FLUENT14.0得到的云图较为美观。95[参考文献](References)[1]江洪，唐鹏.轿车车身外流场的CFD仿真与实验验证[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2011，30（3）：470-475.[2]董贵杨，谭华，杨自双，等.CFD技术在汽车工程领域中的应用研究[J].机械工程与自动化，2013（1）：100219-221.[3]黄龙太，王红伟，姜琬，基于CFD动网格技术的飞艇动导数计算方法[J].航空计算技术，2013，43（6）：66-68.[4]赵峰，李胜忠，杨磊，等.基于CFD的船型优化设计研究进展综述[J].船舶力学，2010，14（7）：812-821.105[5]李明，李明高.STAR-CCM+与流场计算[M].北京：机械工业出版社，2011.[6]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.