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。
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。
标准函数是后处理项目，可帮助预测铸造缺陷（如宏观孔隙率或微观孔隙率）并估计相关微观结构物理量（如一次枝晶间距和二次枝晶间距）。
标量平均冷却率是整个凝固过程的平均冷却率。
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。
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。
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。
可以选择多相模型、层流态和铸造模型。
模具为固体材料。 要研究模具中的热传递，需激活固体中能量方程的求解。 （可选）可以考虑辐射。
纯热模拟仅模拟熔体的凝固过程。 流体方程的求解将会停用，只有能量方程的求解才会激活。 此模拟类型可用于分析与温度相关且无任何流体的固化熔体行为。
可以为任何具有非恒定固体密度的固体区域使用可变密度补偿模型。 可变密度补偿模型将应用校正能量源项。 校正能量源是一个源项，补偿因具有温度相关密度的固化零部件收缩而导致能量传输方程中的系统质量变化。
铸造模拟的精度取决于使用的材料数据的质量和完整性。因此，要进行高质量的铸造模拟，必须使用包含经过认证的合格铸造属性数据的数据库。
可以将铸造材料和属性导入 Simcenter STAR-CCM+ 材料数据库。然后，可以在物理连续体中使用这些材料，并将材料属性用作边界值。
可使用宏观孔隙率模型检测铸件中的收缩相关缺陷。如果在铸件的凝固过程中出现孤立的融液区域，则无法提供额外的熔体来补偿收缩，孔隙随即形成。
可选择所需的特定标准函数作为相间相互作用模型。
流体以温度高于固相线温度的液态形式进入计算域。 液体停留时间是流体进入计算域的时刻与温度低于固相线温度的时刻之间的时间差。
凝固时间是指将 VOF 相从液相线温度冷却到固相线温度所需的时间。
对于所有低于液相线温度的指定标准温度，收集标量局部凝固时间。 局部凝固时间是当温度低于相应标准温度时网格单元中凝固时间被动标量的值。
标量“冷却率”是温度的时间导数。 将为所有指定的标准温度计算冷却率。
标量等温速度指相应标准温度下等温传播的近似速度。
温度梯度矢量 Δ T | T c r i t 为温度的空间导数。 将为所有指定的标准温度计算此值。
凝固速度矢量近似于凝固前沿的速度。 将针对所有指定的标准温度计算此物理量。
标量 G/v 是温度梯度 G 与凝固速度 v 之比，它是衡量生成的微观结构的重要度量值。
标量 Niyama 标准可根据收缩率和进给距离之间的比率估计孔隙率概率。
可使用无量纲 Niyama 标准直接预测金属合金铸件凝固过程的收缩孔隙量。
一次枝晶间距（也称为 PDAS 或 DAS）标量是枝轴之间的距离。 仅针对液相线温度计算此物理量。
二次枝晶间距 (LST)（也称为 SDAS-LST）标量是枝晶之间的距离。 将针对所有指定的标准温度计算此物理量。
二次枝晶间距 (CR)（也称为 SDAS-CR）标量是枝晶之间的距离。 将针对所有指定的标准温度计算此物理量。
可指定计算标准函数时使用的固相线和液相线温度之间的临界温度。
对于铸造模拟，通常将气相视为可压缩气体，并应用理想气体定律。 熔体是具有恒密度的液体。 因此，多相混合物在整个计算域中不可压缩。 这种不均匀性会导致各区域具有有限声速和无限声速，从而导致数值不稳定和收敛问题。
以下原始场函数可用于铸造模拟。
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。
