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理论
Simcenter STAR-CCM+ 模拟基于数值算法而构建，这些算法根据模拟定义的条件求解相关物理定律。Simcenter STAR-CCM+ 附带提供了理论指南，这样用户便可识别物理定律并了解其求解方法。
流体流
Simcenter STAR-CCM+ 可模拟跨多种流态和不同流体类型的内部和外部流体流。它求解常规不可压缩和可压缩流体流的质量、动量和能量守恒方程。
非牛顿流体
对于许多工业流体，由于其微观结构十分复杂，因此假设流体具有线性粘性流体行为还不够。这些流体表现出非牛顿行为。
广义牛顿流体
广义牛顿流体模型是一个显式本构方程，通过可变粘度将应力张量与速度场关联。此模型不考虑弹性效应。

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理论
Simcenter STAR-CCM+ 模拟基于数值算法而构建，这些算法根据模拟定义的条件求解相关物理定律。Simcenter STAR-CCM+ 附带提供了理论指南，这样用户便可识别物理定律并了解其求解方法。
- 基本方程
  Simcenter STAR-CCM+ 可对诸多物理现象进行建模，包括流体机制、固体力学、热传递、电磁学以及化学反应。在典型长度远远大于原子间距离的宏观尺度下，可以忽略物质的离散结构，且材料可以建模为连续体。描述连续体的物理特征的数学模型根据各种表示守恒原理的基本定律推导而出。
- 流体流
  Simcenter STAR-CCM+ 可模拟跨多种流态和不同流体类型的内部和外部流体流。它求解常规不可压缩和可压缩流体流的质量、动量和能量守恒方程。
  - 轴对称流
    对于在几何与流条件下按中心轴对称的流体流，Simcenter STAR-CCM+ 可以在 2D 求解域中对该流进行建模。
  - 状态方程
    状态方程为本构关系，用于描述密度和内能与两个热力学基本变量压力和温度之间的关系。
  - 牛顿流体
    牛顿流体由显式本构方程表示，该方程通过恒粘度将粘性应力张量 $T$ 与速度场相关联。剪切应力与剪切速率之间存在线性关系。
  - 非牛顿流体
    对于许多工业流体，由于其微观结构十分复杂，因此假设流体具有线性粘性流体行为还不够。这些流体表现出非牛顿行为。
    - 广义牛顿流体
      广义牛顿流体模型是一个显式本构方程，通过可变粘度将应力张量与速度场关联。此模型不考虑弹性效应。
    - 粘塑性流体
      粘塑性流体是具有屈服应力的材料：低于该屈服应力时，不存在流体变形并且其行为与刚体类似。超过该屈服应力时，材料会像流体一样流动。在宾汉首次描述此类材料后，它们还称作宾汉颗粒。
    - 粘弹性流体
      粘弹性流体指表现出流体的粘性行为和固体的弹性行为的材料。
    - 触变性流体
      在触变性流中，当流应用于之前已处于静止状态的样本时，粘度随着时间不断减小。当流停止时，粘度会恢复。
    - 时间-温度叠加
      时间-温度叠加概念可用于根据参考温度下的已知粘度确定聚合物流体的温度相关粘度。
    - 多层液膜铸造
      液膜铸造是指从槽模中挤出薄膜，然后在薄膜熔融的同时，用冷金属辊进行拉伸的工艺。薄膜可以包含一层或多层。在铸造工艺中，拉伸的主要目的是将薄膜的厚度减小到所需的水平。薄膜的厚度要远小于其长度和宽度，因此，要分析此问题，必须使用薄膜模型。
    - 短纤维悬浮液
      纤维钢筋聚合物复合材料通过各种聚合物融化过程（例如拉伸、喷射和压缩铸模）广泛制造。通常，在纤维悬浮液中，流场改变纤维的方向；同时，纤维的存在（及其平均方向）改变悬浮液的应力响应。
  - 边界条件
    要完成数学模型，在求解域边界上指定条件。
  - 重力
    重力产生的力通常在流体和固体的动量平衡中起着重要作用。重力产生的体积力作为源项添加到动量方程中。
  - 涡流抑制
    当今的很多工程领域都需要长距离准确地追踪隔离的涡流。
  - 体积分区
    当模拟双向耦合拉格朗日多相流或离散多相 (DMP) 流时，离散相的体积将减去连续流体所占的实际体积和计算通量的实际面积。对于液膜模拟，与液膜相邻的流体的可用体积小于网格单元体积。同样，在使用物理速度公式的多孔介质建模中，一部分网格单元体积被固相占据，因此减少流体的可用体积。对于二维模型，假定网格具有单位深度（以 SI 单位表示）。
  - 流体流参考书目
- 数值流体求解
  在有限体积法中，求解域细分为有限数量的小控制体积，对应于计算网格的网格单元。
- 湍流
- 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。
- 壁面处理
  在大多数具有实际意义的流体问题中，壁面是一个涡旋源。因此，精确预测整个壁面边界层的流至关重要。
- 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。
- 热传递
  热传递是不同温度下介质之间热能的交换。热量从温度高的位置传递到温度低的位置，以达到平衡状态。热传递的三个主要机制是：传导、对流和辐射。
- 多孔介质
  多孔介质是含有流体和精细固体结构的连续体，例如：填充层化学反应器、过滤器、散热器、蜂巢结构或纤维材料。固体几何结构太精细，无法通过计算网格单独网格化和完全求解。
- 组分与被动标量
  Simcenter STAR-CCM+ 通过为表示混合物中每种组分的质量分数的标量变量求解守恒方程，对多组分液体或多组分气体的传输、混合和化学反应进行建模。此守恒方程考虑对流、扩散和可选的源效应，并且会进行求解（除了求解全局质量连续性方程以外）。
- 多相流 — 欧拉方法
  多相流体（多个流体在相关域中流动）在多种工业应用中发挥着重要作用。一般情况下，会将相与气体、液体或固体关联，这样的一些多相流体简单示例有：在一杯水中上升的气泡、大风卷起的沙粒以及空气中的雨滴。相的定义可以广义化并应用于其他流体特性，如尺寸、形状、密度和温度。
- 多相流 — 拉格朗日方法
  在各种工业流程中都可以找到多相流体，多相流体的一些示例包括：内燃机、以液体或固体为燃料的燃烧器、喷雾干燥器、旋风除尘器和化学反应器。这种情况下，多相指的是一个热力学相（固体、液体或气体）与另一个不同相相互作用。
- 反应流体
  在反应流体中，当条件允许时，化学组分会相互混合并发生反应。为了对这些流体建模，Simcenter STAR-CCM+ 使用可计算源项的化学求解器耦合组分和能量传输方程。
- 内燃机
  内燃机的数值建模在改进发动机设计方面发挥了越来越重要的作用。通过此类发动机的 CFD 模拟可以全面了解设备的广泛物理特性，例如燃料和空气之间的湍流混合、点火和燃烧化学。
- 电化学
  电化学是研究电流和化学成分变化关系的学科。
- 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。
- 电磁
  电动机、电动开关和变压器等许多工程应用均涉及电磁现象。可根据经典电磁理论对电磁现象进行建模，该理论从电场、磁场及其相互作用的角度描述了带电颗粒之间的相互作用。
- 电池
- 固体力学
  固体力学用于描述固体连续体对应用负载的响应行为。应用负载包括体积力、表面负载、点力或固体温度变化导致的热负载。应用负载会在结构中产生应力场，并且可能导致结构位移 — 从初始未变形配置到变形配置。
- 气动声学
  计算气动声学 (CAA) 是多物理场建模和模拟的一个分支，其中涉及识别由流体流引发的噪声源和随后所产生声波的传播。
- 有限元方法
  有限元方法是一个用于查找连续问题的近似求解的强大工具。该方法与其他数值方法类似，都是通过离散代数方程近似连续偏微分方程。
- 网格运动
  在瞬态模拟中，网格运动是一种数值计算方法，可用于在运行求解器时更新计算域的位置。
- 6 自由度刚体运动
  Simcenter STAR-CCM+ 可用于对响应应用的力和力矩的刚体运动建模。在刚体中，内部点之间的相对距离不会更改。因此，足以求解体的质心的运动方程。
- 旋转流体
  旋转流体通常出现在如泵、螺旋桨、风扇和风轮机等旋转机械中。
- 谐波平衡
  谐波平衡方程描述了预先知道非稳态频率的周期性非稳定流。它们适合对涡轮机中通常定期重复出现的对流场（例如压缩机、涡轮机和风扇）建模。
- 伴随
  伴随法是用于预测许多输入参数对模拟中某些相关工程量的影响的有效方法。
- 设计管理器
  可通过Design Manager在 Simcenter STAR-CCM+ 中自动运行设计探索研究。设计探索涵盖了性能评估和优化。
- 标量、矢量和张量
  Simcenter STAR-CCM+ 中的大多数物理量都是标量、矢量或二阶张量。
- 求解数据插值
  许多操作都需要将求解数据插值到不同组的网格点之间。例如，重构操作需要将现有求解数据插值到新的网格上。数据插值还发生在区域之间的交界面处，其中，接触边界会交换数据。此外，可配置数据映射器可用于将场函数和表格数据插值到指定的网格。
- 理想化
  在许多模拟中，常规做法是通过使用对称平面、旋转轴、周期性或将 3D 域减小到 2D 域来减小计算域的大小。但是，在使用报告计算物理量时，通常要考虑整个域。可以使用理想化获取完整模型的报告值。

广义牛顿流体

广义牛顿流体模型是一个显式本构方程，通过可变粘度将应力张量与速度场关联。此模型不考虑弹性效应。

对于广义牛顿流体，应力张量由以下公式给出：

T (\dot{γ}) = 2 μ (\dot{γ}) D

(658)

其中， $\dot{γ}$ 为剪切速率。

剪切速率是根据变形（应变）率张量的第二个不变量计算的：

\dot{γ} = \sqrt{(2 D: D)}

(659)

Simcenter STAR-CCM+ 中实现了以下广义牛顿流体模型，即剪切速率相关粘度函数：

幂次定律

用于描述剪切速率相关粘度行为的最简单模型为幂次定律。

幂次定律指数 $n$ 的值决定了流体的类别：

μ (\dot{γ}) = k {\dot{γ}}^{n - 1}

(660)

$n = 1 \Rightarrow$ 牛顿流体
$n > 1 \Rightarrow$ 剪切稠化（膨胀）流体
$n < 1 \Rightarrow$ 剪切稀化（伪塑性）流体

交叉流体

从 [149] 获得的交叉流体定义如下：

μ (\dot{γ}) = μ_{\infty} + \frac{μ_{0} - μ_{\infty}}{1 + {(\frac{\dot{γ}}{{\dot{γ}}_{c}})}^{m}}

(661)

其中：

$m$ 为交叉率常数
$μ_{0}$ 为零剪切粘度，即牛顿平台处的粘度
$μ_{\infty}$ 为无限剪切粘度
$\dot{γ_{c}}$ 为剪切稀化开始的临界剪切应变率

当 $m = 0$ 时，将重新获得牛顿行为。随着 $m$ 逐渐增加接近 1，剪切稀化的程度逐渐变强。

Carreau-Yasuda 流体

针对粘度的非牛顿广义 Carreau-Yasuda 流体源自 [146] 和 [207]。定义如下：

μ (\dot{γ}) = μ_{\infty} + (μ_{0} - μ_{\infty}) {(1 + {(λ \dot{γ})}^{a})}^{(n - 1) / a}

(662)

其中：

$n$ 次幂常数
$λ$ 松弛时间常数
$a$ 用于控制剪切稀化的参数。当 $a = 2$ 时，可重新获得原始 Carreau 模型。