使用STAR-CCM+计算二维翼型气动性能

AndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoa使用STAR-CCM+计算二维翼型气动性能AndrewMoaSTAR-CCM+是CD-adapco公司开发的通用CFD软件，采用先进的连续介质力学数值技术，支持非结构网格，集成了高效的CFD求解器及前、后处理单元。STAR-CCM+支持导入复杂形状的几何数据，可进行表面修复，根据导入的几何自动生成高质量的非结构网格。本文采用STAR-CCM+9.02.005R8，以NACA63(3)-218翼型为例，简单介绍使用STAR-CCM+进行二维翼型气动性能计算的一般步骤。1、建立翼型几何在多数情况下，翼型的气动性能计算一般采用二维网格模型。二维网格能够满足计算的需求，同时又不至于消耗过多的计算资源，一定程度上了提高计算的效率。STAR-CCM+虽然支持对二维网格模型的求解，但不支持导入二维几何实体，也无法生成二维网格。该软件可以导入二维网格，同时也提供了三维网格到二维网格的转换。本文利用STAR-CCM+三维网格转换成二维网格的功能，先在STAR-CCM+中生成三维的翼型绕流网格，在将该三维网格转换成二维网格，最后利用二维网格进行求解。A、生成翼型三维模型打开STAR-CCM+，软件界面如下：点击File-NewSimulation，OK确认建立新的模拟器。AndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoa右键单击树状图中Geometry下的3D-CADModels，选择New，在3D设计模式中建立三维翼型实体。右键点击3D-CADModel1，选择Import-3DCurve，选择翼型数据文件。必须确保翼型数据文件为以下形式：翼型数据应为.CSV格式文件，每行依次为各数据点的x、y、z三点坐标，中间以英文半角逗号分隔。AndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaOK确认导入，生成的翼型曲线自动命名为3DCurve1。右键点击Features下的XY，选择CreateSketch，建立XY平面上的草图。在草图中右键点击翼型曲线，此时选中的曲线变成品红色，在弹出菜单中选择Projecttosketch，将3D曲线映射到草图中。使用Createpoint在翼型尾缘（1,0,0）处放置一个点，右键单机该点，选择ApplyFixationConstraint，建立固定约束，使该点的位置不发生改变。使用Createcenter-pointcirculararc建立翼型流场前段的圆弧，以新建立的固定点为圆心，使圆弧的两个端点与圆心同处于一条垂直线上。利用Createline工具建立余下的线段。如下所示：AndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoa在线段上点击鼠标右键添加约束。给两条垂直线段添加水平约束（ApplyHorizontalConstraint）,给两条垂直线段添加垂直约束（ApplyVerticalConstraint）。同时选中圆心点和垂直线段，右键点击ApplyDistanceDimension添加尺寸，输入尺寸”20.0m”；在圆弧上点击右键，选择ApplyRadiusDimension添加圆弧半径尺寸，输入尺寸”10.0m”。OK退出草图。生成的草图自动命名为Sketch1，树状图中右键点击草图Sketch1，选择CreateExtrute，拉伸草图使之形成实体。在Distance中输入”1.0m”，不要使用双向拉伸，确保有一个面在XY平面上，OK形成实体。选择翼型壁面的表面，右键Rename将其命名为Wall。AndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoa将半圆表面和流场上下表面命名为Inlet。将流场尾部的垂直表面命名为Outlet。将翼型壁面的两条特征曲线命名为AirfoilCurves。AndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoa点击Close3D-CAD退出3D设计模式。B、生成流场实体模型可以看到3D-CADModel下多出了3D-CADModel1，3D-CADModel1即为新生成的翼型流程几何模型，我们需要将它转换成实体模型。右键单击3D-CADModel1，选择NewGeometryPart，在弹出的PartCreationOptions中将CoincidenceTolerance设置为1.0E-8，TessellationDensity设置为VeryFine，OK确认生成的实体。此时新生成的实体模型显示为Parts下的Body1，命名的特征曲面和特征线也显示在模型树中。点击工具栏上的Create/OpenSenses-Geometry建立新的几何场景，可以查看实体模型。C、指定网格参数在模型树中的Operations上点击右键，选择New-AutomatedMesh，在CreateAutomatedMeshOperation窗口中选择Body1Parts，在SelectMeshers中选择SurfaceRemesher、AutomaticSurfaceRepair、PolyhedralMesher（多面体网格）、PrismLayerMesher（棱柱层网格），OK确认退出。在Operations下可以看到新生成的AutomatedMesh。将Meshers下的SurfaceRemesher的Minimumfacequality改为0.1；将AutomaticSurfaceRepair的MinimumFaceQuality同样改为0.1；将PolyhedralMesher的OptimizationCycles改为3，QualityThreshold改为0.7。在DefaultControls下，将SurfaceGrowthRate的参数改为1.1。右键单击CustomControl，选择New-CurveControls。CurveControls的PartCurves选择Body1的AirfoilCurves特征曲线。将Controls下的TargetSurfaceAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaSize和MinimumSurfaceSize均改为SpecifyCustomValue，在Values中将TargetSurfaceSize和MinimumSurfaceSiz的Sizetype均改为Absolute，TargetSurfaceSize的Value改为0.001m，MinimumSurfaceSiz的Value改为0.0005m。2、生成翼型流场网格A、指定流场区域右键点击Parts中的Body1，选择AssignPartstoRegion，在弹出窗口中选择Body1Parts，选择CreateaRegionforEachPart、CreateaBoundaryforEachPartSurface，Apply确认，Close退出。在Regions下可以查看新生成的流场区域。将Regions中Body1的Inlet边界设置为VelocityInlet边界类型，Outlet边界设置为PressureOutlet边界类型，Default和Wall保持默认为Wall边界类型。先保存模拟器，再生成网格，否则程序无法进行网格生成操作。B、生成三维网格点击工具栏上的GenerateVolumeMesh，或则右键单击AutomatedMesh选择Execute，程序自动生成网格。有条件的话，建议打开MPI（并行计算），程序调用多个CPU核心进行计算，加快网格生成的速度。Output窗口中可以查看网格生成的信息。VolumeMeshingPipelineCompleted:CPUTime:282.55,WallTime:282.55,Memory:129.86MBCells:341888Faces:2003275Vertices:1746353在工具栏上点击ShowAllMeshes，在窗口空白处单机右键，选择ApplyRepresentations-VolumeMesh，可以查看生成的三维网格。翼型壁面加密情况：AndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaC、网格转换在删除Scenes下的所有的场景，点击菜单栏的Mesh-Convertto2D，在弹出的ConvertRegionsTo2D中选择Body1Parts，选中Delete3DRegionsAfterConversion，将Tolerance设置为1.0E-8，OK确认。此时的Regions下Body1被删除，取而代之的是Body12D。点击工具栏上的Create/OpenSenses-Geometry建立新的几何场景，点击工具栏的ShowAllMesh查看新生成的二维网格。壁面处加密情况：AndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoa点击模型树中Representations下的VolumeMesh，可以查看网格信息。D、导出二维网格导出二维网格，可以在其它的模拟器中使用生成的网格。点击File-Export，Export选项选择MeshOnly，将Regions和Boundaries的所有项选中，选择导出的网格文件类型和文件名。3、设置求解器A、选择物理模型网格转换后，在树状图中Continua下可以看到多出了PartsMeshes、PhysicsAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoaAndrewMoa1和Physics12D，其中PartsMeshes是网格模型，Physics1和Physics12D是物理模型。Physics1是三维网格的物理模型，这里不需要它，将其删除；Physics12D是二维网格的物理模型，右键单击Physics12D，选择Selectmodels，选择二维网格的物理模型。在弹出的选择窗口中依次选择如下模型：选择物理模型之后，树状图中Physics12D变成激活状态。将物理模型中气体状态参数（Air-MaterialProperties）的密度（Density）改为1.225kg/m3，动力粘度（DynamicViscosity）改为1.7894E-5Pa·s。在物