STAR-CCM+：同心圆柱腔内自然对流传热案例
STAR-CCM+是CD-adapco公司推出的CFD集成化平台，可对真实条件下工作的产品和设计进行流体、固体的相关仿真。自然对流传热，指不依靠外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动，参与换热的流体由于各部分温度不均匀而形成密度差，从而在重力场或其他力场中产生浮升力所引起的对流传热现象。模型描述：仿真无限长同心圆柱腔内的自然对流传热。
工具/原料
STAR-CCM+ 12.02.010
模型导入
1、双击桌面图标启动STAR-CCM+ 12.02.010程序，新建一个simulation，选择Parallel on Local Host，Compute Processes设为2，点击OK。
2、点击File>Import>Import Volume Mesh，导入软件help自带的startutorialsdata文件夹里的concylMesh.ccm，保存命名conCyl.sim。由于模型对称，所以采用半圆柱腔进行仿真，中心截面设为对称边界。
物理模型
1、双击Continua>Physics 1> Models设置流体属性。
2、点击Continua>Physics 1>Models>Gas>Air，将Dynamic Viscosity设为1.846e-5 Pa·s，Specific Heat设为1007 J/kg·k，Thermal Conductivity设为0.0263 W/m·K。
3、点击Continua>Physics 1>Reference Values，将Gravity设为[0.0, -9.81] m/s^2，Reference Density设为1.1614 kg/m^3，Reference Pressure设为100000 Pa。
4、点击Continua>Physics 1>Initial Conditions>Static Temperature，初始温度设为300 K。
边界条件
1、点击Regions>ConvectionCylinders >Boundaries >Inner Wall >Physics Conditions，设置Thermal Specification条件为Temperature。随后将Inner Wall>Physics Values>Static Temperature设为306.3 K。
2、采用相同方法设置Outer Wall，Static Temperature设为293.7K。
求解条件
1、点击Solvers>Coupled Implicit，将Courant Number设为100。在耦合求解器中通常用Courant Number来调节计算的稳定性与收敛性。通常，Courant Number越大，收敛越快，但稳定性逐渐降低。
2、点击Stopping Criteria>Maximum Steps，设为300。
后处理显示
1、创建一个scalar scene监控温度。点击Scalar Scene 1>Displayers>Scalar 1>Scalar Field，Function设为Temperature。点击Scalar 1> Contour Style选择Smooth Filled。
2、右键Scalar Scene 1 > Displayers，新建一个Vector监控流速。
3、右键Reports选择New Report>Heat Transfer，Parts选择Inner Wall。同理，再创建监测Outer Wall的Heat Transfer报告。
4、右键Reports选择New Report>Expression，重命名为Heat Balance，用来监测圆柱腔内外壁的热量平衡。右键Heat Balance选择Create Monitor and Plot from Report。
计算
1、Ctrl+S保存文件，接着初始化，开始计算。
结果
1、残差曲线。
2、Heat Balance曲线。
3、温度场云图。点击Scalar Scene 1>Displayers>Scalar 1> Color Bar，将Title Height设为0.04，Label Height设为0.035。
4、流速场云图。
对比
1、将模型另存为conCyl_Copy.sim，点击菜单栏Solution > Clear Solution。
2、双击Continua>Physics 1> Models编辑流体属性，取消Gravity，保存sim文件，并重新提交计算。
3、计算完成后，同时打开conCyl.sim，双击显示Scalar Scene 1。分别在两个sim文件中，右键Scalar Scene 1，选择Linked View。
4、左键拖拽conCyl-Scalar Scene 1至窗口右侧，并列显示两次计算的温度和流速云图。显然，勾掉Gravity属性后，不再有由重力引起的浮升流动现象，空气不再流动，只在径向进行传热。
当量热导率系数
1、右键Reports选择New Report>Volume Average，重命名为k，Parts选择ConvectionCylinders，Field Function选择Thermal Conductivity。
2、右键Reports选择New Report>Expression，重命名为Qcond，在Definition处输入圆筒壁导热量公式。
3、定义等效导热率系数，右键Reports选择New Report>Expression，重命名为Keq，在Definition处输入计算公式。运行Keq，在Output处查看结果为2.55，这说明在考虑自然对流传热时，比单纯的热传导传递的热量多2.55倍，自然对流有强化散热的效果。
