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。
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。
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。
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。
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。
混合多相模拟中的 VOF-拉格朗日相互作用将 VOF 多相模型的详细交界面跟踪功能与拉格朗日模型的离散颗粒动力学相结合。这种组合可优化燃油喷射破碎、齿轮润滑和车辆水管理等应用场景中的计算资源。
混合多相模拟中的 MMP-拉格朗日相互作用将 MMP 模型的功能与拉格朗日模型的离散颗粒动态相结合，以模拟连续流体携带的小离散液滴或气泡。这种组合可优化燃油喷射破碎和电机冷却等应用中的计算资源。
液膜-拉格朗日相互作用使用拉格朗日多相模型和液膜模型功能来模拟液滴-壁面相互作用。这种组合可优化飞机结冰、车辆水管理、选择性催化还原、燃油喷射和涂层等应用中的计算资源。
混合多相模拟中的液膜-VOF 相互作用将 VOF 和液膜多相模型相结合，以模拟分层流体中厚度可变的液膜。在单独使用 VOF 模型时需要更精细网格的应用（例如部件浸渍/涂层、雨水管理或变速箱晃动）中，此方法可以优化计算资源。
液膜-EMP 相互作用结合了 EMP 模型功能，可对较小长度尺度上混合的易溶流体进行建模，并使用液膜模型的薄膜建模。液膜-EMP 交互作用结合了 EMP 模型在较小长度尺度上模拟混溶流体的功能与液膜模型的薄膜建模功能。这种组合优化了多相反应器和复杂涂层系统等应用中的计算资源。
液膜-MMP 相互作用将 MMP 模型跟踪液滴和气泡混合物的功能与液膜模型的薄膜建模功能相结合。这种组合优化了环形流、变速箱润滑和电机冷却等应用中的计算资源。
混合多相中的 DMP-液膜相互作用将 DMP 模型的极小液滴或气泡建模功能与液膜模型薄膜功能相结合。这种组合可优化车辆雨水和飞机结冰等应用中的计算资源。
混合多相模拟中的 DMP-VOF 相互作用将 VOF 模型模拟较大体积分数和分层流动的功能与 DMP 模型对极小液滴或气泡的建模功能相结合。这种组合可优化气泡塔反应器、钢铁生产和车辆水管理等应用中的计算资源。
混合多相模拟中的 DEM-拉格朗日相互作用将 DEM 模型和拉格朗日模型的离散颗粒动力学相结合。拉格朗日多相模型用于低颗粒密度流，在其中颗粒-颗粒接触可以忽略（包括喷雾），而 DEM 用于聚集体、作物、食品和片剂。这种组合优化了颗粒涂层和食品生产等应用中的计算资源。
对具有大尺度交界面 (LSI) 的多流态建模结合了流体体积 (VOF) 多相模型和欧拉多相 (EMP) 模型或混合多相 (MMP) 模型的优势。此方法使用通过 LSI 子模型增强的单个多相模型（EMP 或 MMP）来优化计算资源，以便在同一模拟中模拟混合流和自由表面流。它适用于蒸发器、石油管道、核系统和多相泵等应用。
液膜-EMP 相拓扑模型将专为薄膜设计的液膜模型与表示气泡和液滴离散流的欧拉多相 (EMP) 模型相结合。创建液膜相与 EMP 相之间的相间相互作用时，系统会自动选择此模型。
液膜-拉格朗日相互作用模型是混合多相模拟中应用最广泛的相互作用模型。与 DMP-液膜相间相互作用模型类似，它也可用于模拟液滴与液膜之间的相互作用。但是，液膜-拉格朗日模型涵盖了额外的物理现象（例如液滴反弹和破碎），以便对更复杂的现象进行建模。
液膜-MMP 相间相互作用模型将液膜模型（专为薄液膜设计）与混合多相 (MMP) 模型（表示液滴与气体或气泡与液体的混合物）相结合。在一个液膜相和一个 MMP 相之间创建相间相互作用时，系统会自动选择此模型。
液膜用于对薄液膜建模，而流体体积 (VOF) 可对厚液膜、池和已解析液滴建模。液膜-VOF 相间相互作用模型结合了这两种建模技术，以模拟分层流中的可变液膜厚度。创建液膜相与 VOF 相的相间相互作用时，系统会自动选择此模型。
DMP-液膜相间相互作用模型将用于模拟薄液膜的液膜模型与适用于小体积分数（如喷雾或薄雾）的 DMP 模型相结合。
离散多相 (DMP) 将对整个域中的分散颗粒建模，并在简化物理内容就足够的模拟中提供拉格朗日多相模型的划算替代方案。VOF 多相将对大体积分数和分层流建模。这两种建模方法都可以使用 DMP-VOF 相间相互作用模型相关联。
拉格朗日模型跟踪穿过域的个体离散颗粒，而混合多相模型则跟踪两个或多个互穿相的体积分数。使用这两种建模技术时，可以用 MMP-拉格朗日相间相互作用模型将这两种形式的建模链接起来。创建拉格朗日相与 MMP 相的相间相互作用时，系统会自动选择此模型。
拉格朗日模型跟踪穿过域的个体离散颗粒，而 VOF 多相模型则跟踪两个或多个分离相的体积分数。同时使用这两种建模方法时（例如，水滴穿过空气喷射而形成大的水体），可以将这两种建模形式与 VOF-拉格朗日相间相互作用模型链接在一起。
过渡模型对从附壁拉格朗日液滴到液膜的转换进行建模。液滴可以被固体表面上已存在的液膜吸收，或者在干燥表面上形成液膜。当附壁液滴积聚以致超出指定的等效薄膜厚度时，就会形成此液膜。
拉格朗日自由流液滴可以被液-固-气混合物 DEM 颗粒吸收，从而将质量、动量和热量传递到颗粒。
剥离是对由于跨表面的波剥离或尖角上的边缘剥离而导致液滴从液膜去除进入 EMP、DMP、拉格朗日或 MMP 液相的过程进行建模。边缘液膜剥离可对液膜溢出锐边时从液膜中喷射的液滴进行建模。波液膜剥离可对因波引发的不稳定性而从液膜喷射出的液滴进行建模。
VOF-拉格朗日用户剥离模型将对拉格朗日液滴从 VOF 自由表面剥离的过程建模。此模型假设剥离未解析，即在子网格尺度上发生。此模型不会标识已解析 VOF 液滴以转换为 LMP 液滴，而是向用户提供对 VOF 自由表面上 VOF 至 LMP 转变的控制。
液滴蒸发模型可用于对蒸发成 VOF 气相的拉格朗日多组分液滴建模。
在欧拉多相 (EMP) 模拟中，使用 Caraghiaur 碰撞模型可对离散相碰撞到交界面上形成液膜的过程进行建模。
通过碰撞模型，可以模拟 DMP 颗粒（液滴或气泡）碰撞在 VOF 自由表面相或壁面上。DMP 颗粒将转换为 VOF 相。该碰撞模型可保留流体体积。
使用碰撞模型，可将拉格朗日相或离散的 DMP 相碰撞到交界面上以形成液膜的过程建模。
碰撞模型用于对拉格朗日相碰撞 VOF 自由表面或 MMP 连续相建模。该模型可保留流体体积。
在欧拉多相 (EMP) 或混合多相 (MMP) 模拟中，使用入射质量通量碰撞模型对离散相碰撞到交界面上形成液膜的过程进行建模。
已求解液膜模型控制指定的液膜相与 VOF 相之间的转换。此模型使用最适合局部流态的相模型（液膜或 VOF）和可用的计算机资源。
已解析过渡模型用于识别新出现的欧拉液滴并将其转换为等效的拉格朗日颗粒。质量、动量和能量在转换中守恒。
液滴检测模型可用于识别 VOF 或 MMP 场中的网格解析的液滴或气泡（材料的液滴）。
子网格过渡模型可用于标识非常小的拉格朗日粒子束并将其过渡到 MMP 相。质量、动量和能量在过渡中守恒。此模型旨在用作混合多相流方法的一部分，其中混合多相 (MMP) 模型与拉格朗日多相 (LMP) 模型一起使用。
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。
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。
