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物理模拟
Simcenter STAR-CCM+ 可对广泛的物理现象进行建模，包括流体力学、固体力学、热传递、电磁学以及化学反应。具有多个时间尺度的方案可以在同一模拟中求解。
固体应力
使用 Simcenter STAR-CCM+，可以对固体连续体对应用负载（包括机械负载和固体温度变化导致的热负载）的响应进行建模。
固体应力和能量参考
固体应力模型参考
通过固体应力模型，可使用有限元方法计算固体结构在承受负载后的位移。此模型是所有应力分析类型的前提条件。
单元增强模型参考
要防止单元锁定在弯曲下的薄体结构中或者要对几乎不可压缩固体建模，则需要使用单元增强模型。通过此模型，可以访问相关场景的子模型：
连续壳单元增强模型参考
使用壳单元对薄结构进行仿真时，锁定会对结果产生负面影响。为了克服这些影响并提高计算出的变形的精度，Simcenter STAR-CCM+ 提供了四种模型：弯曲增强功能-壳体、增强型 Quad4 - 线性应变、增强型 Tria3 - 二次应变和增强型壳单元 - 假定自然应变

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物理模拟
Simcenter STAR-CCM+ 可对广泛的物理现象进行建模，包括流体力学、固体力学、热传递、电磁学以及化学反应。具有多个时间尺度的方案可以在同一模拟中求解。
- 定义物理工作流
  Simcenter STAR-CCM+ 为模拟单相和多相流体流、热传递、湍流、固体应力、动态流体相互作用、气动声学和相关现象提供了一系列物理模型和方法。这些物理模型全部可使用物理连续体选择。
- 设置物理
  本节介绍如何在 STAR-CCM+ 中设置物理模型。
- 运行物理模拟
  文档的此部分介绍运行 Simcenter STAR-CCM+ 模拟的准备和步骤。
- 运动
  通常，运动可以定义为体相对于特定参考坐标系的位置变化。
- 空间
  Simcenter STAR-CCM+ 中空间模型的主要功能是为计算和访问网格度量提供方法。网格度量的示例包括网格单元体积和形心、面网格面积和形心、网格单元和面索引以及偏斜角。
- 时间
  Simcenter STAR-CCM+ 中时间模型的主要功能是提供控制迭代和/或非稳态时间步进的求解器。
- 网格运动和自适应
  许多涉及运动或几何更改的模拟需要移动网格或使网格变形。其他模拟需要局部网格自适应才能获得精确的解。
- 材料
  材料模型对物质（包括各种混合物）进行模拟。
- 流体流
  许多工程设计项目都要求预测流动流体对其中包含的结构或浸入对象的影响。虽然可以通过人工计算来分析简单情景，但复杂情景要求应用数值方法来得到精确求解。
- 粘性流
  粘性流是一种有限元方法，用于粘弹性材料和其他高粘度非牛顿流体，如液态塑料和橡胶、面团和类似食品、熔融态玻璃以及泥浆。粘弹性材料与弹性材料类似，但同时具有粘性效应，变形后会缓慢反弹。
- 被动标量
  被动标量是具有任意值的用户自定义变量，被分配给液相或单个颗粒。它们不会影响模拟的物理属性，因此为被动标量。可以直观地将被动标量视为流体中的示踪染料，但是通过数值而不是颜色示踪，并且没有可感知的质量或体积。
- 热传递
  热传递研究的是由介质中或介质之间的温度差导致的能量传递。热传递扩展了热力学分析的范围，采用的方法包括研究能量传递模式以及建立计算能量传递速率的公式。
- 组分
  本章包含 Simcenter STAR-CCM+ 中化学组分模型的相关信息。从物理模型选择对话框的材料模型部分中选择多组分液体或多组分气体时，组分模型将激活。
- 多孔介质
  通过 Simcenter STAR-CCM+，可以运用使用相应损耗（或“扩散”）系数表示多孔介质的操作概念，模拟如何通过多孔介质传输流体或能量（例如，热量或电荷）。
- 伴随
  伴随法是用于预测许多设计参数和物理输入对某些相关工程量（即，模拟的工程目标）的影响的有效方法。换言之，它根据设计变量（输入）提供目标（输出）的灵敏度。
- 风扇和风机
  Simcenter STAR-CCM+ 提供了应用典型风扇定律的轴向和径向风扇模型。
- 虚拟盘体模型
  虚拟盘体模型基于将螺旋桨、涡轮机、旋翼和风扇等表示为执行器盘体的原则。当担心旋翼/螺旋桨行为对流体的影响，而不是了解旋转设备的流体和叶片之间详细的相互作用时，执行器盘体处理是可行的。
- 湍流
  工程中关注的大多数流体流都具有不规则的波动流量。
- 转换
  术语转换指边界层中层流到湍流的转换现象。转换模型与湍流模型一起使用可以预测湍流边界层中的转换开始。
- 壁面距离
  壁面距离是一个参数，表示从网格单元形心到具有非滑移边界条件的最近壁面的距离。各种不同的物理模型都需要此参数才能考虑近壁效应。
- 辐射
  辐射模型是 Simcenter STAR-CCM+ 的所有辐射建模功能的起点或切入点。本节介绍了 Simcenter STAR-CCM+ 的辐射建模。
- 气动声学
  气动声学研究声音的空气动力生成过程。
- 反应流体
  Simcenter STAR-CCM+ 提供了一系列可用于模拟各种反应流体应用的模型。
- 内燃机
  在内燃机 (ICE)（例如汽油发动机）中，燃烧过程发生在发动机内的一个气缸（或多个气缸）中。工作流体为燃料和氧化剂混合物（通常为空气），它会发生反应以形成燃烧产物。
- 多相流体
  多相流这个术语指相间存在不同交界面的同一系统中的多个相的流体和相互作用。Simcenter STAR-CCM+ 将相共存的流选项视为：液体中的气泡、气体中的液滴、气体或液体中的固体颗粒和/或（大尺度）自由表面流。
- 动态流体相互作用
  通过 Simcenter STAR-CCM+ 中的动态流体相互作用 (DFBI)，使用已定义的机械和多物理场相互作用（流、DEM、固体应力、EMAG）产生的位移和旋转来模拟一个或多个 6 自由度体的运动。
- 谐波平衡
  某些非稳态流体具有定期重复的流体模式，即它们具有时间周期性。考虑从风扇叶片流经管道入口的流体。管道中瞬时流体的测量将显示定期重复模式。如果流体干扰足够大，并且传播到管道末端，则管道中任何点处的非稳态流体的测量会显示重复模式。可以使用傅立叶级数表示此类时间周期性模式。
- 固体应力
  使用 Simcenter STAR-CCM+，可以对固体连续体对应用负载（包括机械负载和固体温度变化导致的热负载）的响应进行建模。
  - 应力分析的常规工作流
    以下步骤概述了 Simcenter STAR-CCM+ 中应力分析的建议工作流。这些步骤假设用户已熟知常规 Simcenter STAR-CCM+ 任务，例如创建零部件、将零部件分配到区域或者创建报告和场景。
  - 分析正则模态
    在固体力学中，固体结构的正则模态描述结构在其固有（或共振）频率下的自由振动运动。结构振动的自由模态控制其对外部力的动态响应，并影响其应力特性。
  - 流体结构相互作用 (FSI)
  - 可变形 DFBI 体
    在 Simcenter STAR-CCM+ 中，DFBI 框架可用于模拟刚体在外力作用下的运动情况。在 FSI 模拟中，可以结合使用 DFBI 与固体应力求解器，对可变形或部分变形 DFBI 体进行建模。DFBI 模块计算总体刚体运动，而固体应力求解器计算局部变形。
  - 固体应力和能量参考
    - 固体应力模型参考
      通过固体应力模型，可使用有限元方法计算固体结构在承受负载后的位移。此模型是所有应力分析类型的前提条件。
      - 固体应力求解器参考
        固体应力求解器节点可用于访问计算参数，例如，稀疏直接求解器设置、非线性应用中刚度矩阵的更新方法以及用于通过隐式非稳态模型进行准静态分析的静态分析选项。固体应力求解器节点还可用于估计模拟内存需求。
      - 固体应力载荷步长求解器参考
        在具有非线性几何或非线性材料的模拟中，可以使用固体应力载荷步长求解器来改进收敛。此求解器以递增方式在多个迭代步（对于稳态模拟）或多个时间步（对于非稳态模拟）应用外部载荷。
      - 有限元壳体兼容性模型参考
        有限元壳体兼容性模型可用于使用壳部件对薄体结构的机械响应建模。对于固体力学，壳体部件表示为连续壳体。连续壳体是薄体结构的 3D 体单元表示，其设定为表现得像典型的经典 2D 壳体。连续壳体保留部分 3D 特征，从而可以通过壳厚度更精确地表示应力和应变。
      - 材料定律模型参考
        材料定律模型定义固体材料中的应力应变关系。Simcenter STAR-CCM+ 支持具有各向同性、正交各向异性或各向异性属性的线性弹性材料和弹塑性材料以及各向同性超弹性材料。
      - 单元增强模型参考
        要防止单元锁定在弯曲下的薄体结构中或者要对几乎不可压缩固体建模，则需要使用单元增强模型。通过此模型，可以访问相关场景的子模型：
        线性应变单元增强模型参考
        在弯曲过程中，薄结构会出现锁定效应，导致单元中出现人为刚度。为了降低 3D 网格单元剪切锁定的影响，Simcenter STAR-CCM+ 提供了两个模型 - 弯曲增强功能 - 固体和增强型 Hex8 - 线性应变。这些模型使用增强的假定应变公式。
        连续壳单元增强模型参考
        使用壳单元对薄结构进行仿真时，锁定会对结果产生负面影响。为了克服这些影响并提高计算出的变形的精度，Simcenter STAR-CCM+ 提供了四种模型：弯曲增强功能-壳体、增强型 Quad4 - 线性应变、增强型 Tria3 - 二次应变和增强型壳单元 - 假定自然应变
        几乎不可压缩材料模型参考
        默认情况下，Simcenter STAR-CCM+ 将固体材料视为可压缩。此方法适用于泊松比 $ν \leq 0.45$ 的线性弹性材料和一些超弹性材料（例如，高度可压缩泡沫）。考虑到几乎不可压缩固体的体积不会随应力增大而显著变化，Simcenter STAR-CCM+ 提供了不可压缩性增强功能 - 固体和增强型体单元 - 几乎不可压缩材料模型。
      - 瑞利阻尼模型参考
        瑞利阻尼模型引入了结构的物理阻尼。阻尼与频率相关。Simcenter STAR-CCM+ 提供两个阻尼系数：一个阻尼低频 ( $f_{M}$ )，另一个阻尼高频 ( $τ_{K}$ )。
      - 柔性 DFBI 运动模型参考
        柔性 DFBI 运动模型可用于将固体应力求解器与 DFBI 模块相组合，在 FSI 模拟中对可变形 DFBI 体进行建模。
      - 指定的温度模型参考
        指定的温度模型可用于在固体区域上应用温度分布。
      - 非线性几何模型参考
        非线性几何模型可用于对非线性现象（如大位移和旋转，以及在张力或压缩方面应用于细长零部件上的负载）建模。
      - Coriolis - 固体位移速度效应模型参考
        Coriolis - 固体位移速度效应模型在因惯性负载和刚体运动引起的体加速度中添加了 Coriolis 加速度分量（由于体同时旋转和平移运动以及变形产生的加速度）。
      - 段（负载和约束）参考
        段表示部件表面、曲线或点集合上的负载或约束。所有段都显示在 [固体/壳区域] > 段节点下。
      - 时间步恢复模型参考
        对于高度非线性模拟，预测非线性事件发生的时间可能具有挑战性，甚至是不可能的（例如，跃越不稳定现象）。对于此类模拟，可以使用时间步恢复模型，该模型可在非线性事件发生时自动优化时间步长。
      - 固体应力正则模态参考
        固体应力正则模态模型和求解器可用于对固体结构执行正则模态分析。
      - 正则模态视图参考
        正则模态视图节点控制选定特征模态的正则模态求解视图的属性。
    - 有限元固体能量模型参考
      通过有限元固体能量模型，可以使用有限元方法对固体温度进行求解。此模型支持映射接触界面和有限体积流体区域，用于共轭传热分析。此模型设计用于同固体应力模型配合使用，可以计算由于热膨胀引起的固体位移。
  - 网格要求和准则
    Simcenter STAR-CCM+ 中的有限元应力分析需要使用 3D 体单元网格或壳单元，这类单元可以使用基于部件的网格操作生成，也可导入为 CAE 模型。对于体单元，Simcenter STAR-CCM+ 支持六面体、四面体、楔形体和棱锥体单元类型。每种类型中可能不带中间边节点（线性单元），也可能带有中间边节点（二次元）。对于壳单元，Simcenter STAR-CCM+ 支持四边形和三角形单元类型。
  - 求解分析准则
    Simcenter STAR-CCM+ 提供了各种场函数和工具，可用于可视化求解并监视相关物理量。例如，可以可视化变形几何以及整个固体结构的应力和应变分布。
  - 参考书目
- 电磁
  可通过 Simcenter STAR-CCM+ 对涉及电磁现象的工程应用进行建模。例如，可根据经典电磁理论对电动机、电动开关和变压器等应用进行建模。
- 电化学
  电化学是对由于施加电荷或边界处导体（如金属）与电解质之间的电势差而发生的化学反应进行的研究。Simcenter STAR-CCM+ 提供可用于模拟电池、腐蚀、蚀刻和其他电化学反应的模型。
- 电路
  电路是指互联的电气组件（如电池、电源、电阻器和电感器）形成的回路。
- 等离子体
  等离子体是一种物质状态，类似于部分或完全由未相互绑定的带电颗粒（如离子和电子）组成的气体。
- 电池
  可以使用直接在 Simcenter STAR-CCM+ 或在外部软件包 Simcenter Battery Design Studio 中定义的电池电芯和电池循环过程在 Simcenter STAR-CCM+ 中模拟电池。
- 铸造
  铸造模拟通过使用 VOF 模型的瞬态多相模拟进行凝固的模拟。共轭传热在凝固熔化状态和固体成模之间应用。
- 区域源
  本节提供有关如何将区域源用于某些常见问题的一些准则。
- 单元质量校正
  网格单元质量校正模型可帮助获取有关低质量网格的求解。此模型使用一组预定义的条件（如超过特定阈值的偏斜角）标识低质量网格单元。标记这些网格单元及其相邻网格单元后，将修改这些网格单元中的计算梯度，以提高求解的稳定性。
- Simcenter STAR-CCM+ 应用准则
  此部分文档提供了有关将 Simcenter STAR-CCM+ 模型应用于具体应用的准则。
- 通用求解器参考
  在 Simcenter STAR-CCM+ 中，求解器在模拟运行期间计算求解。

连续壳单元增强模型参考

使用壳单元对薄结构进行仿真时，锁定会对结果产生负面影响。为了克服这些影响并提高计算出的变形的精度，Simcenter STAR-CCM+ 提供了四种模型：弯曲增强功能-壳体、增强型 Quad4 - 线性应变、增强型 Tria3 - 二次应变和增强型壳单元 - 假定自然应变

弯曲增强 - 壳单元

选中后，将激活可用于连续壳体模拟的所有单元增强模型。目前，增强型 Quad4 - 线性应变、增强型 Tria3 - 二次应变和增强型壳单元 - 假定自然应变模型可用。


理论	单元解锁
提供方式	[物理连续体] > 模型 > 可选模型
节点路径示例	连续体 > [物理连续体] > 模型 > 弯曲增强功能 - 壳体
要求	物理模型：可选模型：固体应力和单元增强功能

增强型 Quad4 - 线性应变

为 Quad4 单元激活 Vu-Quoc 增强型假定应变公式。仅在选择了弯曲增强功能 - 壳体模型后此模型才可用。


理论	Vu-Quoc 增强功能
提供方式	[物理连续体] > 模型 > Quad4 单元增强模型
节点路径示例	连续体 > [物理连续体] > 模型 > 增强型 Quad4 - 线性应变
要求	物理模型：可选模型：固体应力和单元增强功能

增强型 Tria3 - 二次应变

为 Tria3 单元激活 Ko-Lee 增强型假定应变公式。仅在选择了弯曲增强功能 - 壳体模型后此模型才可用。


理论	Ko-Lee 增强功能
提供方式	[物理连续体] > 模型 > Tria3 单元增强模型
节点路径示例	连续体 > [物理连续体] > 模型 > 增强型 Tria3 - 二次应变
要求	物理模型：可选模型：固体应力和单元增强功能

增强壳单元 - 假定自然应变

为 Quad4 和 Tria3 单元的横向剪切锁定和曲率厚度锁定激活假定自然应变公式。仅在选择了弯曲增强功能 - 壳体模型后此模型才可用。


理论	假定自然应变增强
提供方式	[物理连续体] > 模型 > ANS 壳体单元增强模型
节点路径示例	连续体 > [物理连续体] > 模型 > 增强型壳单元 - 假定自然应变
要求	物理模型：可选模型：固体应力和单元增强功能