Simcenter STAR-CCM+ 创建圆柱坐标系的切平面(Section Plane)

摘要

圆柱坐标系经常应用于旋转运动模拟，例如汽车行业车轮运动，冷却风扇，航天航空喷射发动机，船舶产业推进系统螺桨等。零部件以圆柱形状建模，如新能源产业圆柱电芯。我们要分析上述热流仿真，除了使用卡氏坐标分析流场结果外，使用圆柱坐标系是另一种结果呈现方式。本报告整理针对圆柱坐标系切面与卡氏坐标切面设定差异，需要注意的地方，截图并说明。

详细信息

1. 背景:圆柱坐标系切面与卡氏坐标切面设定有差异。首先它的设定不像卡氏坐标它的法向只关注一个轴向，同时需要搭配在衍生零部件切面功能。

2. Solution
本案例是模拟固体传热，圆柱的半径0.2 m, 高度0.2 m。在圆柱底部与侧边有发热热源，分别是半径0.02 m 的圆面，温度都是400 K。在圆柱面散热采用对流换热，环温为300 K与换热系数5 W/m^2-K。
本说明先从熟悉的卡氏坐标系切面说明，再延伸到圆柱坐标系切面。

(Case 1)卡氏坐标系切面

(1) 为便利观察与结果说明，需要在视图创建坐标系，创建设定参考Fig 1。在视图结果如Fig 2。热源初始状态温度分布如Fig 3。

Fig 1

 
Fig 2

Fig 3

(2) 创建切面:使用衍生零部件切面功能(Fig 4)，选择平面(Plane)。

Fig 4

(3) 切面通过原点 [0,0,0] 切面法线方向 [1, 0, 0] 设定如Fig 5，模拟收敛结果如Fig 6。温度场分布结果在底面与右侧为高温。热流由高温往低温扩散。

Fig 5

Fig 6

(4) Y 切面通过原点 [0,0,0] 切面法线方向 [0, 1, 0] 结果如Fig 7。温度场分布结果在底部为高温，左右侧呈现对称分布。

Fig 7

(5) Z 切面通过原点 [0,0,0] 切面法线方向 [0, 0,1]结果如Fig 8。温度场结果左右侧呈现对称分布。

Fig 8

(Case 2) 圆柱坐标系切面
(1) 首先需要在视图创建圆柱坐标系，创建设定参考Fig 9。

Fig 9

(2) 创建Radius 切面: 使用衍生零部件切面功能，选择圆柱面(Cylinder) (Fig 10)。此圆柱面主轴法线平行圆柱坐标Z方向 (0,0,1)，圆柱面半径0.05 m (Fig 11)。结果如Fig 12。

Fig 10

Fig 11

Fig 12

(3) 创建Theta 切面: 使用衍生零部件切面功能，选择平面(Plane)。通过原点 [0,0,0] 切面法线方向 [1, 45 , 0]m, deg, m (Fig 13)。结果如Fig 14。软件默认角度单位是径度(Radian)，用deg 为单位，输入设定比较直观。切平面45 度，表示与圆柱坐标系偏转45 deg。温度场结果显示底部有较高温接近热源，此区温度较高。温度场分布结果显示热流由高温往低温扩散，受到底面与右侧为热源温差驱动。

Fig 13

Fig 14

(4) 创建Z 切面: 使用衍生零部件切面功能，选择平面(Plane)。通过原点 [0,0,0] 切面法线方向 [0,0,1]。结果如Fig 15。温度场结果显示与卡氏坐标相同，左右侧成对称分布。

Fig 15

3. Summary:
(1) 本报告以固体传热为案例，介绍与图示说明使用圆柱坐标系切面设定的方法。在其他应用: 如风扇旋转运动模拟都可以适用。
(2) 结合圆柱坐标系切面与卡氏坐标切面功能可以分析获得热流场结果。
(3) 本案例截图是用2021.1 (16.02)展示，在不同软件版本图示与说明会存在微小差异。