Simcenter STAR-CCM+ 2510
User Guide
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。
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。
许多流动过程都涉及气体或液体连续相导致的固体颗粒、液滴或气泡（称为离散相）的传输。
拉格朗日相模型的组合可定义拉格朗日自由流相。每个模型表示该相的某个特性。
可以为拉格朗日相应用曳力、剪切升力、梯度压力、虚拟质量和电荷的模型。
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。
本节介绍如何在 STAR-CCM+ 中设置物理模型。
文档的此部分介绍运行 Simcenter STAR-CCM+ 模拟的准备和步骤。
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。
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。
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。
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。
材料模型对物质（包括各种混合物）进行模拟。
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。
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。
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。
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。
工程中关注的大多数流体流都具有不规则的波动流量。
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。
气动声学研究声音的空气动力生成过程。
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。
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。
在数学方面，在 Simcenter STAR-CCM+ 的多相模型公式中有两个主要框架，即欧拉和拉格朗日建模策略。
本节介绍在使用 Simcenter STAR-CCM+ 多相模型时会遇到的关键概念。
Simcenter STAR-CCM+ 支持多种类型的多相模型，它们有各自的工作流程。本节帮助确定适合于期望模拟的多相分析类型的模型选择。
Simcenter STAR-CCM+ 中的欧拉相表示不同的物理物质，即相材料，该相在欧拉架构中建模。两种材料构成两个不同的欧拉相。欧拉相的定义包括一组适用于相材料的模型和相关的材料属性。
相间相互作用是一个定义所选模型用来预测多相流体模拟中的某个相如何影响另一个相的对象。对于每个可能的明显耦合，均可定义相间相互作用。
离散元方法 (DEM) 是一种工程数值方法，用来模拟大量相互作用的离散对象（通常是固体颗粒）如何运动。尽管 DEM 建模需要强大的计算能力，但它提供了其他方法无法实现的细节分辨率。在 Simcenter STAR-CCM+ 中，DEM 可应用于带体网格或不带体网格的区域。
离散多相 (DMP) 模型以欧拉方式模拟离散相。离散多相流模型将拉格朗日多相流 (LMP) 模型和欧拉多相流 (EMP) 模型的多个方面结合使用。
Simcenter STAR-CCM+ 中的欧拉多相流 (EMP) 模型基于其中每个不同的相都具有各自的守恒方程组的欧拉-欧拉公式。
固体边界上存在薄液膜的问题在工程实践中很常见。示例包括汽车发动机、燃气轮机、喷雾冷却系统和喷墨打印机的内表面上的液膜。
Simcenter STAR-CCM+ 中的拉格朗日相是在拉格朗日架构中建模的离散相（液滴、气泡或固体颗粒）。
对于涉及相对较少数量离散相的流体，可以设定和求解每个液滴、气泡或颗粒的控制方程。但是，如果离散相数量较大，则统计方法更实用。在此方法中，一小部分计算粒子束表示离散相的总群体。
要使用拉格朗日多相模型，定义连续相和离散相的属性、边界条件、相互作用和喷射模式。
拉格朗日多相模型与除谐波平衡以外的所有时间模型兼容。
拉格朗日多相模型节点是一个管理器节点，包含用于描述每个拉格朗日相的子节点。它对于所有拉格朗日多相模拟都必不可少。
拉格朗日相模型的组合可定义拉格朗日壁面-边界相。每个模型表示该相的某个特性。
颗粒类型组合框中提供无质量颗粒模型和材料颗粒模型。
球缺模型计算壁面-边界液滴的形状。
要使壁面-边界液滴在表面上移动，外力必须作用于液滴。
任何包括材料颗粒的拉格朗日相也拥有自己的材料模型，因为该相表示不同的物理物质。（使用无质量颗粒的拉格朗日相没有自己的材料模型。）
任何包括材料颗粒的拉格朗日相也需要状态方程模型来定义材料密度的计算方式。
曳力模型可计算由于材料颗粒相对于连续相的速度而在该颗粒上产生的力。
曳力扭矩模型可计算颗粒在粘性流体中旋转时施加在该颗粒上的旋转曳力。
用户自定义扭矩模型可用于指定作用于固体颗粒上的用户自定义扭矩。
剪切升力模型可计算作用于相对于流体移动的颗粒上的力，该流体中存在与相对运动正交的速度梯度。
Simcenter STAR-CCM+ 使用颗粒升力系数计算旋转升力。可以使用场函数或 Sommerfeld 法定义该升力系数。
此模型可激活作用于颗粒表面的压力梯度力，如 [eqnlink] 中给定。
虚拟质量模型可计算在材料颗粒加快周围连续相时施加在这些颗粒上的力，[eqnlink]。
此模型可用于通过向颗粒动量方程添加项来自定义颗粒动量方程。
此模型可用于指定 [eqnlink] 中的球度 ϕ 。
当颗粒穿过域移动或与壁面边界碰撞时，颗粒的旋转会通过旋转升力影响其路径的轨迹。当高速颗粒以倾斜角度撞击壁面时，可因为与壁面摩擦而获得旋转速度。这种现象可以在颗粒侵蚀等应用中观察到，其中颗粒在第一次和后续撞击壁面之后的轨迹决定了侵蚀模式。当颗粒旋转模型在拉格朗日相中处于活动状态时，可用于计算固体颗粒的旋转速度。
颗粒可以进入承受电荷的域，或在某些情况下，可以在进入之后获得电荷，从而导致额外的力作用于颗粒。带电颗粒出现在很多应用中，例如，空气污染控制领域的静电喷涂和静电除尘。
温度模型可对每个颗粒的能量方程 ([eqnlink]) 进行求解。颗粒温度会在每个时间步更新。
等温模型不求解能量方程，但在整个模拟过程中保持每个颗粒的初始温度。在此模型适用的模拟中，颗粒温度的变化可以忽略不计，但颗粒仍与连续相相互作用，需要能量表征。使用等温模型时，颗粒可以充当纯热源或纯热沉。
用户自定义的能量源模型将可选的用户自定义源项添加到颗粒能量方程中。
本节介绍准稳态蒸发模型、用户自定义的蒸发模型和液滴蒸发模型。前两个适用于单组分液体，而最后一个适用于多组分液体，多相混合物蒸发和 REA 喷雾干燥蒸发模型适用于液 - 固 - 气混合物。
组分模型可根据质量分数来描述多组分颗粒的成分。
对于拉格朗日和 DEM 模拟，双向耦合模型允许颗粒相与连续相交换质量、动量和能量。
湍流耗散模型与物理连续体中的雷诺平均纳维-斯托克斯湍流模型协作使用。
Simcenter STAR-CCM+ 提供了适用于拉格朗日和 DEM 架构的侵蚀模型。 在拉格朗日架构中，Simcenter STAR-CCM+ 仅对因冲击而导致的侵蚀建模；此外，DEM 架构还对磨损建模。
停留时间是颗粒在模拟中的时间的长度。仅当现有颗粒当前位于模拟中时，停留时间数据才可用。停留时间模型将颗粒停留时间作为场函数提供。
当连续相中的参与介质辐射模型处于活动状态时，颗粒辐射模型可考虑源于颗粒的热辐射散射和吸收。它还会计算从颗粒本身发出的辐射。
TAB 变形模型用于计算液滴在空气动力作用下的变形。
在拉格朗日架构中，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。
碰撞热传递模型描述碰撞液滴和壁面或流体-固体交界面之间的热传递。通过此模型，可以模拟壁面的逐渐冷却或加热（这可能影响壁面内外的反应率或结晶等行为）。液滴的冷却或升温效果是缓慢和累积性的。
液滴闪急沸腾模型用于对喷射液滴在喷色喷嘴和接收喷射的体积内突然沸腾时的行为进行建模。建模包括成核、增长和蒸汽气泡的破裂。此模型将为喷射器激活喷嘴喷射器类型，在对喷射喷嘴内的闪急沸腾进行建模时需要使用该喷嘴喷射器类型。喷嘴喷射器可以同时喷射液滴和连续流体。此模型与 LISA 雾化模型或 Huh 雾化模型不兼容。
粘附液滴热传递模型描述了壁面和粘附在壁面上的液滴之间的热传递。通过此模型，可以模拟液滴沸腾和蒸发。
粘附液滴质量传递模型描述粘附液滴与连续相之间因泡核沸腾热传递产生的质量传递。
粒子束耗尽模型可用于耗尽（移除、删除）不再需要追踪的粒子束。
此可选的拉格朗日相模型可用于定义材料颗粒的孔隙率和直径如何随煤燃烧反应或其他颗粒反应而变化。
拉格朗日相的“边界条件”描述颗粒碰撞在边界上时的行为。
初次雾化是指在高压下强制液体通过小孔口，导致液滴成为细雾的过程。
有时，液滴在非均匀表面力的作用下会破碎，这种现象称为二次破碎。
在 Simcenter STAR-CCM+ 中，颗粒通过喷射器进入流体连续体。拉格朗日相可定义进入域的颗粒及其行为方式，而喷射器则可定义颗粒进入的位置、方向和频率。
轨迹可记录粒子束的历史。
对于并行处理，分解体网格的传统方法是为每个处理器提供大致相同的网格单元数。对于在每个网格单元中对相同欧拉流方程进行求解的情况，此方法通常可提供良好的性能。
使用多相相互作用模型时，拉格朗日相可以与其他拉格朗日相和其他类型的相进行相互作用。拉格朗日和欧拉架构均提供使用被动标量的选项，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。
本节介绍使用拉格朗日多相模型时可用于模拟的场函数。
Simcenter STAR-CCM+ 可分析穿过包含流体的拉格朗日相流体，以及这些相与边界之间的相互作用。
在混合多相流 (MMP) 模型中，质量、动量和能量均视为混合物物理量，而不是相物理量。Simcenter STAR-CCM+ 将混合物的输运方程作为一个整体进行求解，而非针对每个相单独进行求解。相比单独模拟每个相的模型，此模型的计算效率更高。
Simcenter STAR-CCM+ 提供已解析过渡模型作为相间相互作用模型，用于捕获液池破碎以形成从自由表面出现/剥离的液滴，或从大气泡剥离的小气泡。此模型旨在用作混合多相法的一部分，其中流体域体积 (VOF) 模型或混合多相 (MMP) 与拉格朗日多相 (LMP) 模型一起使用。
平滑颗粒流体动力学 (SPH) 是一种数值方法，它克服了基于网格的模型出现的与体网格划分相关的限制。SPH 将流体表示为具有随流体移动的材料属性的颗粒集合，因此非常适合具有高动态自由表面流的应用。
两相热力学平衡是仅限对两个相建模的多相混合法。Simcenter STAR-CCM+ 通过该模型将质量、动量和能量作为混合物量而非相量进行求解。因此，通过假设悬浮液是均匀的单相系统来减少计算量。
流体体积 (VOF) 多相模型是一种简单的多相模型。它适用于模拟数值网格（能够求解混合物的相之间的交界面）上的多个不混溶流体流。
VOF 波模型用于模拟轻流体和重流体之间的交界面上的表面重力波。此模型通常与 6 自由度运动模型一起用于海洋应用。
多相混合建模是指在一个模拟中组合不同的多相模型，以有效地模拟某一相材料的多个流态。此建模方法可提高复杂多相模拟的计算效率和精度。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
在 Simcenter STAR-CCM+ 中，求解器在模拟运行期间计算求解。
