使用STAR-CCM+计算二维翼型气动性能

使用STAR-CCM+计算二维翼型气动性能

Andrew Moa

STAR-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+ 9.02.005 R8，以NACA 63(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->New Simulation，OK确认建立新的模拟器。

右键单击树状图中Geometry下的3D-CAD Models，选择New，在3D设计模式中建立三维翼型实体。右键点击3D-CAD Model 1，选择Import->3D Curve，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。

OK确认导入，生成的翼型曲线自动命名为3DCurve 1。

右键点击Features下的XY，选择Create Sketch，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Project to sketch，将3D曲线映射到草图中。

使用Create point在翼型尾缘（1,0,0）处放置一个点，右键单机该点，选择Apply Fixation Constraint，建立固定约束，使该点的位置不发生改变。使用Create center-point circular arc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Create line工具建立余下的线段。如下所示：

a a

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（Apply Horizontal Constraint）, 给两条垂直线段添加垂直约束（Apply Vertical Constraint）。同时选中圆心点和垂直线段，右键点击Apply Distance Dimension添加尺寸，输入尺寸”20.0 m”；在圆弧上点击右键，选择Apply Radius Dimension添加圆弧半径尺寸，输入尺寸”10.0 m”。OK退出草图。

生成的草图自动命名为Sketch 1，树状图中右键点击草图Sketch 1，选择Create Extrute，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。

a a

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Airfoil Curves。

a

a

点击Close 3D-CAD 退出3D 设计模式。 B 、生成流场实体模型

可以看到3D-CAD Model 下多出了3D-CAD Model 1，3D-CAD Model 1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-CAD Model 1，选择New Geometry Part ，在弹出的Part Creation Options 中将Coincidence Tolerance 设置为1.0E-8，Tessellation Density 设置为Very Fine ，OK 确认生成的实体。此时新生成的实体模型显示为Parts 下的Body 1，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/Open Senses->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->Automated Mesh ，在Create Automated Mesh Operation 窗口中选择Body 1 Parts ，在Select Meshers 中选择Surface Remesher 、Automatic Surface Repair 、Polyhedral Mesher （多面体网格）、Prism Layer Mesher （棱柱层网格），OK 确认退出。

在Operations 下可以看到新生成的Automated Mesh 。将Meshers 下的Surface Remesher 的Minimum face quality 改为0.1；将Automatic Surface Repair 的Minimum Face Quality 同样改为0.1；将Polyhedral Mesher 的Optimization Cycles 改为3，Quality Threshold 改为0.7。在Default Controls 下，将Surface Growth Rate 的参数改为1.1。

右键单击Custom Control ，选择New->Curve Controls 。Curve Controls 的Part Curves 选择Body 1的Airfoil Curves 特征曲线。将Controls 下的Target

Surface

a a

Size和Minimum Surface Size均改为Specify Custom Value，在Values中将Target Surface Size和Minimum Surface Siz的Size type均改为Absolute，Target Surface Size的Value改为0.001m，Minimum Surface Siz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Body 1，选择Assign Parts to Region，在弹出窗口中选择Body 1 Parts，选择Create a Region for Each Part、Create a Boundary for Each Part Surface，Apply确认，Close退出。在Regions下可以查看新生成的流场区域。将Regions中Body 1的Inlet边界设置为Velocity Inlet边界类型，Outlet边界设置为Pressure Outlet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Generate V olume Mesh，或则右键单击Automated Mesh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

Representations->V olume Mesh，可以查看生成的三维网格。

翼型壁面加密情况：

C、网格转换

在删除Scenes下的所有的场景，点击菜单栏的Mesh->Convert to 2D，在弹出的Convert Regions To 2D中选择Body 1 Parts，选中Delete 3D Regions After Conversion，将Tolerance设置为1.0E-8，OK确认。此时的Regions下Body 1被删除，取而代之的是Body 1 2D。点击工具栏上的Create/Open Senses->Geometry 建立新的几何场景，点击工具栏的Show All Mesh查看新生成的二维网格。

壁面处加密情况：

点击模型树中Representations 下的V olume Mesh ，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Mesh Only ，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Parts Meshes 、

Physics

a a

1和Physics 1 2D，其中Parts Meshes是网格模型，Physics 1和Physics 1 2D是物理模型。Physics 1是三维网格的物理模型，这里不需要它，将其删除；Physics 1 2D是二维网格的物理模型，右键单击Physics 1 2D，选择Select models，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Physics 1 2D变成激活状态。将物理模型中气体状态参数（Air->Material Properties）的密度（Density）改为1.225kg/m3，动力粘度（Dynamic Viscosity）改为1.7894E-5Pa·s。

在物理模型中设置初始状态（Initial Conditions）可以减少迭代次数，加快计算收敛速度。将Turbulence Specification设置为Intensity+Length Scale，Turbulence Intensity设置为0.01（1.0%），Turbulence Length Scale设置为0.07m。

湍流长度尺寸L=0.07D，D为湍流充分发展管道的水力直径。

B、设置边界参数

将Inlet边界Physics Conditions的Flow Direction Specification更改为Method，Turbulence Specification设置为Intensity+Length Scale；Physics Value中Flow Direction设置来流方向为”0.9962,0.0872,0”（攻角为5°），Turbulence Intensity设置为0.01，Turbulence Length Scale设置为0.07m，Velocity Magnitude设置为22.0m/s。同样，将Outlet边界Physics Conditions的Turbulence Specification设置为Intensity+Length Scale；Physics Value中Turbulence Intensity设置为0.01，Turbulence Length Scale设置为0.07m。其他边界条件和参数保持默认状态。

C、设置监视器

首先建立升力系数和阻力系数的报告。在树状图中Reports上单击右键，选择New Report->Force Coefficient，将新建立的报告改名为Drag Coefficient。将Drag Coefficient的Direction改为”0.9962,0.0872,0”，Reference Density改为1.225kg/m3，Reference Velocity改为22m/s，Parts里选择Body 1 2D Region的Wall。

将Drag Coefficient 复制粘贴到Reports ，建立新的报告，将新建立的报告更名为Lift Coefficient ，将Lift Coefficient 的Direction 改为” -0.0872,0.9962, 0”。

在Drag Coefficient 和Lift Coefficient 上分别单击右键，选择Create Monitor and Plot from Report ，分别根据报告建立监视器和绘图。

将Monitors 中的X-momentum 、Y-momentum 、Tke 、Tdr 和Continuity 选中，右键，选择Create Stopping Criteria form Monitors ，建立停止条件。选中Stopping Criteria 中新建立的5个停止条件，将Logical Rule 设置为And ，Minimun Limit 设置为1.0E-6。将Stopping Criteria 的Maximum Steps 设置为6000。

D 、设置求解器

这一步骤不是必须的，但可以加快求解速度。将求解器（Solvers

）中

a a

Partitioning的Partitioning method设置为Per-Region，Segregated Flow的Continuity Initialization勾选上，Continuity Initialization Iterations改为10，其他选项保持默认。

4、求解及后处理

A、求解计算

点击工具栏上的Run即可开始求解，在Output窗口中可以查看监视器信息。同时可以打开Plots下的绘图查看残差的收敛状态和升力/阻力系数变化情况。求解过程中建议将所有场景关闭，仅打开绘图，可以减少内存和CPU的消耗。

残差收敛状态：

B、绘制压力云图

右键单击Scenes，选择New Scene->Scalar，建立新的标量场景，自动命名为Scalar Scene 1。Scalar Scene 1下，在Scalar 1中，Scalar 1的Contour Style改为Smooth Filled，Scalar Field的Function选择Pressure，Color Bar的Levels改为12。

C、绘制压力系数

右键单击Plots，选择New Plot->X-Y，在新建立的X-Y Plot 1里Parts选择Regions的Wall边界。将X Axis的Labels更改如下：

Y Type 1的Scalar选择Pressure Coefficient。

在树状图的Tools->Field Functions里找到Pressure Coefficient，更改如下：

翼型的压力系数如下：

D、绘制流线图

打开几何场景Geometry Scene 1，点击工具栏上的Hide All Mesh隐藏网格。右键单击Derived Parts，选择New Part->Streamline。在编辑窗口中，Seed Mode 选择Line Seed，Point 1设置为[1.0,2.0,0]，Point 2设置为[1.0,-2.0,0]，单位m；Resolution设置为400，Direction选择Both。点击Create建立Streamline，Close 退出。

可以看到在Geometry Scene 1的Displayers多出了Streamlines Stream 1，将Streamlines Stream 1的Color Mode设置为Constant，Color设置为Blue。可以看到近壁面处的流场分布情况：

5、总结

STAR-CCM+不仅仅是一个求解器，还具有比较完整的前处理和后处理功能。使用STAR-CCM+的前处理功能生成非结构网格十分方便，参数的设置比较简单；但是对于比较复杂的图形和一些有缺陷的表面，需要掌握一定的表面修复的技巧。STAR-CCM+不支持生成结构网格，可以利用第三方软件为STAR-CCM+准备结构化网格。STAR-CCM+自带的后处理功能比较完整，可以满足一般使用需求。

与Fluent相比，对于以上例子，STAR-CCM+迭代的步数比Fluent多，但是每步计算所用的时间要比Fluent少，总体上两者计算收敛所用的时间差不多。由于STAR-CCM+的实例比较少，初学者可能会觉得STAR-CCM+计算速度比较慢。但是只要掌握一定的优化技巧，对流场进行合理的初始化，可以有效地提高STAR-CCM+的求解速度。