第五章 研究結果與檢討
第二節 Star-CD 與 Fluent 軟體操作說明
研究中採用了 Star-CD 與 Fluent 兩個商業軟體進行了方柱與矩柱 之 風 場 數 值 模 擬，其 操 作 說 明 如 後。至 於 此 二 軟 體 在 應 用 時 衍 生 之技 術 面 問 題 ， 將 於 第 三 節 中 再 予 檢 討 。
一 、STAR-CD 軟體操作說明
STAR-CD 使用的前後處理套裝軟體稱為 PROSTAR，核心解算 器 稱 為 STAR。 PROSTAR 包含了建構模型、求解與後處理所必需的 各 種 軟 體 工 具 。
1. 建構模型
建 構 模 型 部 分 係 採 用 STAR 軟體中的 STAR-Design(詳圖 5-1)進 行 三 維 情 況 之 模 型 繪 製。其 中，模 型 建 構 包 括 矩 柱 模 型 及 計 算 域 之 設 定。以 方 柱 之 情 況 為 例，在 計 算 域 設 定 時，則 將 迎 風 面 寬 度 設 為 10cm (B)，高度為 40cm(H)，計算域上游邊界設為距柱體迎風面 3H(120cm)，
下 游 邊 界 距 背 風 面 6H(240cm)，兩側邊界距柱體側面 2H(80cm)，上方 邊 界 矩 柱 頂 設 為 2H(80cm)。STAR-Design 中 有 基 本 幾 何 造 型（ 球 體 、 矩 柱 體、椎 體 ）可 供 選 用，若 定 義 中 心 座 標 及 長、寬、高 可 將 柱 體 模 型 及 計 算 域 繪 製 完 成。待 計 算 域 繪 製 完 成 後，可 輸 出 成.iges 檔以供下 後 續 繪 製 網 格 使 用 。
圖 5-1 STAR-Design 建構模型圖示
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第五章 研究結果與檢討
2. 檢查 3D 模型及定義邊界
模 型 建 構 完 成 後 ， 利 用 pro-STAR/suf 軟體(如圖 5-2)，讀入前階 段.iges 檔，並進行 3D 模型檢查工作，除了需確認 3D 模型是否建構 完 整 與 邊 界 是 否 完 整 等 工 作 外，並 應 定 義 各 邊 界 名 稱，且 進 行 邊 界 面 網 格 之 初 步 劃 分 。 完 成 後 ， 則 輸 出.dbs 檔以利後續處理之進行。
圖 5-2 pro-STAR/suf 圖示
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ） 3. 建立網格
建 立 網 格 部 分 時 採 用 pro-STAR/amm，利用其 automesh 的 功 能 ， 再 依 據 程 式 指 定 步 驟 ， 進 行 定 義 計 算 域 網 格 之 工 作 。 其 步 驟 如 後 ： (1) 首先讀入.dbs 檔案。
(2) STAR-CD 軟體在進行網格劃分時，會在接近柱面處先定義一層近 壁 網 格 以 供 確 認 邊 界 是 否 封 閉 及 計 算 壁 面 函 數 使 用 。 研 究 中 乃 依 照 步 驟 先 定 義 subsurface 位置，作為近壁網格之上邊界。
(3) 定 義 計 算 域 內 之 網 格 分 布 。 網 格 劃 分採 結 構 性 六 面 體 網 格 ， 採 越 靠 近 柱 體 周 邊 網 格 越 密 之 原 則 以 掌 握 速 度 梯 度 之 變 化 情 形 。 研 究 中 依 網 格 大 小 將 計 算 域 分 為 四 層 計 算 區 域 ， 越 接 近 柱 體 處 越 密 。 (4) 網 格 條 件 設 定 完 成 後 ， pro-STAR/amm 將 自 動 完 成 近 壁 網 格 及 計
算 域 網 格 之 劃 分(如圖 5-3)。
圖 5-3 pro-STAR/amm 圖示
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ） 4. 進行計算
進 行 計 算 時，STAR 提供指引視窗，可隨著導引視窗進行設定(如 圖 5-4)。其步驟如後：
圖 5-4 STAR-CD 導引視窗圖示
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第五章 研究結果與檢討
(1) 分析項目：恆定狀態(steady state)或暫態(transient)分析。
(2) 讀入網格檔案：選擇 pro-STAR 格式之網格檔案輸入。
(3) 設 定 邊 界 範 圍 ： 上 游 邊 界 設 定 為 inlet(入 口 邊 界 )， 下 游 邊 界 設 定 為 outlet(出 口 邊 界 )， 底 部 及 矩 柱 壁 面 設 定 為 wall 並 定 義 為 no slip(不滑動邊界)，兩側向及頂部設定為 symmetry 邊界。
(4) 選 擇 紊 流 模 式 ： 研 究 中 選 擇 k-Eposilon\high reynolds 及 k-Eposilon\RNG 兩種紊流模式。k-Eposilon\high reynolds 中參數 設 定 以 預 設 值 作 為 設 定 參 數，主 要 參 數 包 括C 、µ Cε1、Cε2、Cε3、
Cε4與 κ ， 分 別 為 0.09、1.44、1.92、1.44、-0.33 與 0.419。另一 方 面，k-Eposilon\RNG 中參數設定也以預設值作為設定參數，主 要 參 數 包 括C 、µ Cε1、Cε2、Cε3、Cε4、κ 與β，分別為 0.085、1.42、
1.68、1.42、-0.387、0.4 與 0.012；近壁函數則選擇 standard wall function。
(5) 定義邊界值：利用實驗量測結果，給定入流邊界上各位置之風速、
k(turbulence kinetic energy)及ε (dissipation rate)等資料。續利用程 式 預 設 表 格，給 定 數 個 入 流 邊 界 座 標 點 上 之 風 速、k 及ε等資料，
程 式 會 將 資 料 自 動 內 差 計 算 至 邊 界 上 所 有 網 格 點 上(如圖 5-5)。
(6) 流體性質：將流體性質設定為 AIR，則軟體將自動設定各項條件，
包 括 密 度 、 黏 滯 性 等 資 料 。
(7) 離 散 方 法 ： 在 differencing scheme 於 STAR-CD 軟 體 設 定 為 UD(upwind differencing)。
(8) 輸出項目：經計算後可選擇輸出項目包括風速、壓力、turbulence kinetic energy、dissipation rate、turbulence viscosity 等。
以 上 條 件 設 定 完 成 後 即 可 進 行 Star-CD 軟體運算。
圖 5-5 Star-CD 邊界條件設定表
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ） 二 、Fluent 軟體操作說明
Fluent 使用的前處理套裝軟體稱為 GAMBIT，核心解算器與後處 理 係 在 FLUENT 5/6 執行。
1. 建構模型及網格劃分
Fluent 軟 體 均 使 用 GAMBIT 進 行 建 構 模 型 及 網 格 劃 分 ( 如 圖 5-6)，而在 3D 模型繪製及計算域設定部分則與 Star-CD 相同。待 3D 模 型 繪 製 完 成 後 ， 同 樣 在 GAMBIT 中產生網格。此時，可依據求解 的 需 求 產 生 部 分 疏 密 的 網 格 形 式 。 在 邊 界 條 件 設 定 上 ， 柱 體 的 迎 風 面 、 背 風 面 、 側 風 面 、 柱 頂 皆 設 為 wall。 在 計 算 域 部 分 ： 底 部 設 為 wall，其 餘 如左 側、右側、及頂部皆 設 定 為 對 稱 邊 界 條 件 (symmetry)，
而 在 出 口 邊 界 部 分 ， 採 用 outflow 邊界類型。其後則輸出一個.msh 的
第五章 研究結果與檢討
檔 供 求 解 器 FLUENT 5/6 求解。
圖 5-6 GAMBIT 圖示
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
由 於 在 GAMBIT 中只能選擇邊界條件的形式，並無法定義邊界 值，其 細 節 須 在 FLUENT 5/6 設定。此外，如果沒有事先在 GAMBIT 中 選 定 邊 界 條 件 的 形 式 ，FLUENT 5/6 會將所有邊界預設為具有 wall 之 特 性，極 易 造 成 求 解 與 後 處 理 上 的 麻 煩。於 此，待 模 型 建 構 完 成 後，
續 應 開 啟 FLUENT 5/6，讀入.msh 檔。
2. 檢查 3D 模型及檢核網格
儘 管 先 前 已 在 GAMBIT 建構好網格，但若有需要，仍可在 Fluent 中 進 行 網 格 加 密 的 動 作。本 研 究 有 關 計 算 域 內 之 網 格 分 布 定 義，網 格 劃 分 採 結 構 性 六 面 體 網 格 ， 並 以 越 靠 近 柱 體 周 邊 處 網 格 越 密 為 原 則 ， 以 掌 握 速 度 梯 度 之 變 化 情 形。研 究 中 依 網 格 大 小 將 計 算 域 分 為 四 層 計 算 區 域 ， 越 接 近 柱 體 網 格 則 越 密 。
3. 求解(solver)設定
在 進 行 Fluent 計算前，須進行軟體中各項設定(參見圖 5-7)。
(1) 分析項目： steady state 或 unsteady 分析。
圖 5-7 Fluent 求解條件設定
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ） (2) 選擇紊流模型(k-ε model)
本 研 究 於 Fluent 軟 體 中 選 用 k-Eposilon\ Standard 及 k-Eposilon\RNG 兩種紊流模型。在 k-Eposilon\ Standard 中 Fluent 參數 預 設 值C 、µ C1、C2分 別 為 0.09、1.44 與 1.92，而在 k-Eposilon\RNG 中 參 數 預 設 值C 、µ C1、C2分 別 為 0.0845、1.42、1.68，近壁函數則選 擇 standard wall function(參見圖 5-8)。
圖 5-8 Fluent 紊流模型參數設定視窗
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ）
第五章 研究結果與檢討
(3) 定義邊界值
在 來 流 邊 界 上 研 究 中 依 據 風 洞 試 驗 量 測 結 果 找 出 依 高 度 變 化 的 迴 歸 式，再 利 用 FORTRAN 程式，輸入來流邊界上所有網格座標點相 應 之 風 速 、k 及ε等資料作為來流邊界值(參見圖 5-9)。
圖 5-9 Fluent 來流邊界值設定視窗
（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ） (4) 流體性質
針 對 研 究 個 案 之 特 性，將 流 體 性 質 設 定 為 AIR，則軟體將自動設 定 各 項 條 件 ， 包 括 密 度 、 黏 滯 性 等 資 料 。
(5) 數值模擬離散方法
於 Fluent 中係採用二階上風法。
(6) 輸出項目
Fluent 本 身 可 做 後 處 理 ， 計 算 完 成 後 可 將 每 個 時 間 點 資 料(包 括 風 速 、 壓 力 、turbulence kinetic energy、 dissipation rate、 turbulence viscosity)輸出，並做整理。