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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。
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。
自适应时间步
自适应时间步在运行过程中自动调整时间步以获得指定的时间分辨率，并可提高模拟的稳定性和运行时间以及结果的精度。此调整尤其适用于流拓扑变化大、物理时间尺度变化大或使用自适应网格细化动态调整网格的情况。
自适应时间步模型参考
自适应时间步模型可自动控制时间步长，以改进模拟结果的质量和运行时。此调整尤其适用于流拓扑变化大、物理时间尺度变化大或使用自适应网格细化动态调整网格的情况。
自由表面接触参考
使用粘性流模型模拟自由表面运动时，自由表面接触时间步提供程序是适用的。它会限制时间步长，以解析粘性液体与固体障碍物之间的接触相互作用。

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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。
  - 设置高精度时间离散
    高精度时间离散提供使用四个或五个时间级别执行二阶时间离散化的选项。
  - 自适应时间步
    自适应时间步在运行过程中自动调整时间步以获得指定的时间分辨率，并可提高模拟的稳定性和运行时间以及结果的精度。此调整尤其适用于流拓扑变化大、物理时间尺度变化大或使用自适应网格细化动态调整网格的情况。
    - 设置自适应时间步
      自适应时间步模型可自动确定时间步长。定义时间步提供程序，用于指定准则以实现特定应用的适当时间步，并设置适当的限制，如最大和最小时间步值。自适应时间步模型使用指定准则来确定每个模拟阶段的相应时间步长。
    - 自适应时间步模型参考
      自适应时间步模型可自动控制时间步长，以改进模拟结果的质量和运行时。此调整尤其适用于流拓扑变化大、物理时间尺度变化大或使用自适应网格细化动态调整网格的情况。
      - CFL 参考
        限制时间步长以满足对流库朗数的指定目标条件。此时间步提供程序适用于瞬态流体问题。
      - 最大粒子打包参考
        最大粒子打包是自适应时间步框架内的一种时间步提供程序，当离散相的摩擦固相压力超过用户指定阈值时，将减小模拟时间步。该时间步提供程序适用于颗粒欧拉多相流模拟。
      - 自由表面 CFL 条件参考
        限制时间步长以实现锐化交界面。当 VOF 交界面穿过具有不同 CFL 数的网格时，例如既有粗糙网格又有精细网格，或具有变化的速度场时，此时间步提供程序适用于自由表面流体。
      - 自由表面接触参考
        使用粘性流模型模拟自由表面运动时，自由表面接触时间步提供程序是适用的。它会限制时间步长，以解析粘性液体与固体障碍物之间的接触相互作用。
      - 自由表面隐式多步参考
        限制时间步长以在使用 VOF 多步进时实现清晰交界面。当 VOF 交界面穿过具有不同 CFL 数的网格时，例如既有粗糙网格又有精细网格，或具有快速变化的速度场时，此时间步提供程序适用于自由表面流体。
      - 缸内参考
        限制适用于瞬态 STAR-ICE 应用模块的时间步长。此时间步提供程序用于 STAR-ICE 应用模块。
      - 熔化-凝固参考
        限制时间步长，以便准确预测融化/凝固过程。
      - 平滑 CFL 参考
        平滑 CFL 时间步提供程序与 CFL 时间步提供程序类似，只是空间方面更平滑。这种平滑是为了减少孤立的和强烈的局部变化网格长度尺度对整体使用作为时间步长驱动程序的库朗数的潜在不利影响。
      - SPH 自适应时间步提供程序参考
        压力 CFL、对流 CFL、表面张力 CFL 和粘性 CFL 时间步提供程序会限制时间步长，以符合在库朗数条件中指定的目标准则。使用这些时间步提供程序可通过平滑颗粒流体动力学 (SPH) 来模拟自由表面流。
      - LSI 平滑 CFL 参考
        LSI 平滑 CFL 是一种时间步提供程序，在多相模拟的大尺度交界面 (LSI) 上运行。仅当在体积分数对流下选择了自适应交界面锐化 (ADIS) 方案时，此时间步提供程序才可用。
      - 热扩散率参考
        限制时间步长以满足热扩散率的冯纽曼数的指定目标条件。此时间步提供程序适用于具有不同幅值的热扩散主导问题，同时还适用于支持固体材料。
      - 固体应力参考
        固体应力时间步提供程序根据选定的监视器值或计算的位移变化来优化时间步。此时间步提供程序适用于非线性固体应力问题，如屈曲或冲击现象。
      - 体积源参考
        体积源时间步提供程序适用于流体域体积 (VOF) 或混合多相 (MMP) 模拟中的相质量传输。此时间步提供程序根据相质量传递对连续性方程源项的贡献调整模拟时间步长。
  - 在稳态和非稳态之间进行选择
    大多数情况下，模拟的物理指示在稳态与非稳态（隐式或显式）模型之间进行选择。
  - 选择时间步
    时间步的选择是一项工程判断任务（就像网格加密一样）。务必了解物理现象的时间尺度。
  - 多个时间尺度
    时间尺度提供一种方法，用于将多个连续体分组在一起，并为每个连续体组指定停止条件（以及在非稳态模型情况下的时间步长）。时间尺度为解决多个时间尺度的问题提供了更高的粒度，其中多个连续体组必须共享相同的时间求解器（稳态、隐式非稳态、PISO 非稳态等），但仍需要不同的停止条件和时间步长集。
- 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。
- 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。

自由表面接触参考

使用粘性流模型模拟自由表面运动时，自由表面接触时间步提供程序是适用的。它会限制时间步长，以解析粘性液体与固体障碍物之间的接触相互作用。

此提供程序会在接触场景中动态调整时间步，以解析拉格朗日自由表面与外部障碍物之间的相互作用。时间步长根据指定的接触 CFL 数和接触时间尺度来确定。接触时间尺度会考虑接触距离阈值和速度幅值，以确保时间步足够小，从而解析接触相互作用并防止液体穿透障碍物的细分表面。时间步

Δ t

定义为：

Δ t = \frac{C_{t} \cdot C F L}{v}

(38)

其中 $C_{t}$ 是接触阈值， $v$ 是速度幅值。

在物理连续体中激活粘性流模型后，此时间步提供程序可用。它适用于使用自由表面模型且区域 > [区域] > 物理条件 > 对齐选项设为未与拉伸和接触对齐的模拟。有关更多信息，请参见Alignment Option(对齐选项)。

表 1. 自由表面接触参考
提供方式	右键单击连续体 > Physics 1 > 模型 > 自适应时间步 > 时间步提供程序并选择新建 > 自由表面接触
节点路径示例	连续体 > Physics 1 > 模型 > 自适应时间步 > 时间步提供程序 > 自由表面接触
要求	时间：隐式不定常材料：液体流体: 粘性流
属性	启用/禁用，自由表面接触 CFL。请参见自由表面接触属性。
激活	场函数	自由表面接触时间步建议请参见场函数。

自由表面接触属性

启用/禁用: 请参见自适应时间步提供程序通用属性。
自由表面接触 CFL: 相对于接触阈值的自由表面接触 CFL 数。Eqn. (38) 中的 $C F L$ 。默认值为 1.0。

场函数

自由表面接触时间步提供程序激活后，以下场函数可用。

自由表面 CFL 时间步建议: 每个个体网格单元的局部自由表面接触时间步建议。