案例分享：使用PERA SIM Fluid进行外掠球体的对流换热仿真验证

导读：本文基于安世亚太公司自主研发的高级通用流体CFD软件PERA SIM Fluid，对某计算流体动力学书籍上的经典案例进行模拟计算，查找雷诺数Re和努塞尔数Nu之间的关系；将PERA SIM Fluid的计算结果与理论解曲线、前人的实验解曲线进行对比，进一步验证了PERA SIM Fluid流体的计算精度。

基于单一球体，不同雷诺数下的气流与之进行流动换热，提取不同雷诺数Re的努塞尔数Nu数值。理论解曲线、前人的实验解曲线及拟合的准则方程如图1所示。

本案例的流动换热仿真计算主要包括模型处理、网格划分、求解设置及后处理显示。

PERA SIM Fluid可以导入市面上主流的多种数据格式的CAD模型，如图2所示。

图2   几何导入接口

1）将球体CAD模型导入后，使用软件中的“立方面”命令，可以建立球体的外流场空间；

2）使用“Move to Group移动到组”命令建立外流场空间的进口、出口，对齐进行命名；

3）点击“快速修复”、“识别体”，软件会自动进行CFD模型的识别及修复，查找模型的Share共面，并根据模型本身的几何特征，自动形成点、边、面，并对不同的面赋予不同的颜色，面的颜色与其名字所显示的颜色完全一致，非常方便用户对模型进行检查，如图3所示。用户可以在模型树下点击勾选以隐藏/显示对应的特征。

 图3   CFD模型修复

PERA SIM Fluid拥有非常丰富的网格控制技术，既可以对网格参数进行全局设置，也可以进行局部设置；另外，还可以对固体表面附近的流体进行边界层加密，也支持对局部空间进行网格细化。

1）点击全局图标，设置网格的更大尺寸为10毫米，最小尺寸为1毫米；网格增长率默认为1.2，如图4所示。

 图4   全局网格参数设置

2）对于CFD流体计算而言，为了更好捕捉壁面附近的变量梯度，通常需要对流体空间近壁面处划分边界层网格。点击边界层图标——选择Volume1——选择Volume1-Share_qiuwall，设置边界层选项为打开，输入层数为5，第一层层高为1毫米，增长率1.25；如图5所示。未被进行特殊设置的模型，其仍然使用全局网格的参数进行网格划分。

图5   边界层网格参数设置

3）点击密度盒命令，建立立方体的加密区域，设置合理的网格尺寸及比例，对包含球体的空间进行加密，如图6所示。

 图6   局部空间网格加密

4）点击体网格划分按钮，如果不勾选多面体Polyhedron，那么PERA SIM Fluid将使用四面体网格来对模型划分网格；如果勾选多面体，则使用多面体网格来对模型划分网格；默认勾选边界层；划分的网格如图7所示。

  图7   网格显示

5）点击网格质量Quality，可以对划分的网格进行不同标准的Check。PERA SIM Fluid具有多种网格质量的检查和评价标准，其可以检查网格正交性、网格扭曲度、网格质量、网格体积、网格距离、网格长宽比等网格质量标准，如图8所示。可以看出，本案例划分的网格完全满足常规通用流体求解器的计算要求。

图8   网格质量检查及网格报告

1）当Re为5134时，PERA SIM Fluid计算的球体CFD结果如图12所示。

2）当Re为20538时，PERA SIM Fluid计算的球体CFD结果如图13所示。

图13  Re为20538时，CFD计算结果

3）当Re为51344时，PERA SIM Fluid计算的球体CFD结果如图14所示。

图14  Re为51344时，CFD计算结果

4）当Re为102688时，PERA SIM Fluid计算的球体CFD结果如图15所示。

图15  Re为102688时，CFD计算结果

可以看出，不同雷诺数下，球体绕流的分离角有所不同。

将PERA SIM Fluid计算的换热系数h、努塞尔数Nu进行提取，并绘制它们与雷诺数Re的Plot图表，如图16、图17所示。

图16  换热系数h.VS.雷诺数Re

 图17  努塞尔数Nu.VS.雷诺数Re

将PERA SIM Fluid计算的努塞尔数Nu绘制到理论解曲线、前人实验解曲线中（红色标记点为PERA SIM Fluid数值计算的结果），如图17所示。可以发现：在不同雷诺数下，PERA SIM Fluid的数值计算结果与理论解曲线、前人实验解曲线比较吻合，这进一步验证PERA SIM Fluid在CFD数值计算方面的求解精度。

图18   PERA SIM CFD计算结果.VS.理论解及实验解

安世亚太自主研发的高级通用流体CFD软件PERA SIM Fluid将模型处理、网格划分、求解设置及后处理一体集成，其操作简洁、高效，非常适合流体工程师对各类工业品的热流特性进行求解验证。