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[其他软件] [转帖]用STAR-CD计算喷管流场与汽车绕流流场

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发表于 2005-10-24 07:51 | 显示全部楼层 |阅读模式

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北京大学力学系 北京航空航天大学流体所


计算流体力学(CFD)在工业发展和流体力学发展中起着越来越重要的作用,计算流体力学和其它研究手段和方法相结合,共同推进流体力学学科的发展和解决各种实际工程问题。商业化的计算流体力学软件有较为完整的前处理部分、求解器部分和后处理部分,一般都有良好的用户界面,通用性广,很适用于解决实际工程问题。目前,在工业界广泛使用的计算流体力学商业软件主要有STAR-CD、FLUENT和CFX等。本文是使用STAR-CD计算的一些实际工程问题的算例报告。

1. STAR-CD计算软件功能简介


STAR-CD是业界领先的通用流体分析软件,它适用于不可压流和可压流(包括跨音速流和超音速流)的计算,热力学的计算(包括对流、传导及辐射等流动的计算)及非牛顿流的计算。它具有前处理器、求解器、后处理器三大模块,以良好的可视化用户界面把建模、解算及后处理与全部的物理模型和算法结合在一个软件包中。

STAR-CD的前处理器(Prostar)具有较强的CAD建模功能,而且它与与当前流行的CAD/CAE软件(SAMM、ICEM、PATRAN、IDEAS、ANSYS、GAMBIT等)有良好的接口,可有效的进行数据交换。具有多种网格剖分技术(如Extrusion方法、Multi-block方法Data import方法等)和网格局部加密技术,具有对网格质量优劣的自我判断功能,更值得一提的是,Multi-block方法和任意交界面技术相结合,不仅能够大大简化网格生成,还使不同部分的网格可以进行独立调整而不影响其他部分,可以来解算任意复杂的几何形体,极大地增强了CFD作为设计工具的实用性和时效性。STAR-CD提供了多种边界条件,可供用户根据不同的流动物理特性来选择合适的边界条件。它提供了多种先进的湍流模型,如k—e模型、RNG k—e模型、Chen’s k—e模型等。

STAR-CD具有三个求解器(SIMPLE、SIMPISO和PISO),可根据网格质量的优劣和流动物理特性来选择。具有低阶和高阶的差分格式(UD、LUD、CD、SFCD、MARS等)可供用户选择。


STAR-CD具有功能强大的后处理器,具有动态和静态显示计算结果的功能。能用速度矢量图来显示流动特性,用等值线图或颜色来表示各个物理量(压力、速度、温度、马赫数、密度等)的计算结果,可以进行气动力的计算。


STAR-CD在三大模块中提供了与用户的接口,用户可根据需要编制Fortran子程序并通过STAR-CD提供的接口函数来达到预期的目的。


另外,随着STAR-CD版本的提高,通用性更广,功能更完善,求解精度更高。


3. STAR-CD计算算例


3.1轴对称喷管内流计算


欧拉方程求解喷管内流三维流动,考虑到喷管的轴对称性,将初算区域选为轴对称喷管的内流道的一半,燃气为理想无粘气体。内流道的气流参数:燃气流量 ,燃气总温,燃气总压。根据一维等熵流理论,得到喷管入口处的边界条件,出口给定在出口截面处出现正激波时的反压。图1为计算得到的等压力线分布(压力均为相对于282001Pa的相对值)和等马赫线分布,其流动特性与《空气动力学基础》一书中所阐述的流动特性基本相符。


3.2喷管内外流计算


对美国推进实验室JPL型喷管进行流场计算,该喷管收缩半锥角为45°,喉道过度圆弧半径与喉道半径之比为0.625,扩张半锥角为15°。该喷管实验时,入口总压为481063Pa,总温为287K,出口外界为静止大气。流场计算时,根据一维等熵流动方法给出喷管入口边界条件,外流为马赫数为0.05的气流。计算区域如图2。气流按粘性流计算,湍流模型采用标准的k¾e模型。



图3、图4为静压分布和等马赫线分布,图5为喷管壁面和轴中心线上的静压系数(静压和总压之比)分布和实验值比较。在喉道附近跨声速区的等马赫线和壁面压力分布与实验值基本一致。喷管扩张段内静压分布表明喷管处于过膨胀状态,在扩张段内出现激波和气流分离,越靠近轴中心线,激波越强。壁面压力在分离点后基本保持不变,轴中心附近的气流在激波后再发生膨胀。


3.3 汽车外流场的计算


对某一简化轿车外形进行了流场计算。气流按粘性流计算,湍流模型采用标准的k¾e模型。图5、图6和图7分别为车身表面计算网格、纵向对称平面速度矢量图和纵向对称平面车身上表面压力分布图。由于缺少该车型的气动外形的实验数据,因此无法和实验作比较,但其压力分布与相似车型的压力分布实验值接近。


4小结


这些算例表明,STAR-CD可以计算亚音速、跨音速和超音速的气流流动问题,并能达到较高的精度要求,是解决实际工程问题的有效工具。
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 楼主| 发表于 2005-10-24 07:52 | 显示全部楼层

回复:(Frank)[转帖]用STAR-CD计算喷管流场与汽车绕...

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发表于 2008-12-1 21:09 | 显示全部楼层
你好,能不能给我传点STAR CD的学习资料,谢谢
sophiacn@live.cn
发表于 2009-7-15 11:46 | 显示全部楼层
thank a lot for sharing!
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