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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。
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。
喷雾和液滴
术语喷射建模是指将连续液体破碎成液滴的离散相颗粒建模子集。许多工业过程依赖于将液体转化为蒸汽。最常见的一个例子是液体燃料的燃烧。
二次破碎
液滴有时在非均匀表面力的作用下破碎，这些力由液滴相对于连续相的运动而产生。此现象称为二次破碎。 Simcenter STAR-CCM+ 可提供用于气态蒸汽中的液滴破碎的一组模型。
Reitz-Diwakar 破碎模型
Reitz-Diwakar 破碎模型基于观察到的液滴破碎长度尺度和时间尺度。

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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。
- 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。
  - 颗粒运动方程
    颗粒的动量守恒方程在拉格朗日架构中编写。动量的变化由作用于颗粒的表面力和体积力来平衡。
  - 壁面-边界液滴
    壁面-边界液滴是一种粘附到壁面的拉格朗日相。此相类型用于对沿固体表面滑动的液滴建模。颗粒运动方程中与表面相切的分量用于强制液滴沿表面运动。
  - 颗粒热和质量传递
    如果离散相不稳定、可溶或可反应，则相之间发生质量传递。这种质量传递伴随着相间热传递。相间温度差也会引起热传递。相间质量传递会导致离散材料颗粒的大小发生变化。
  - 与连续相双向耦合
    在 Simcenter STAR-CCM+ 中，可以将离散相和连续相之间的相互作用作为单向耦合或双向耦合进行模拟。耦合是指相间交换动量、热和质量的方式。
  - 颗粒喷射
    颗粒通过喷射器在一个或多个离散位置进入计算域。喷射器定义了颗粒的大小和速度矢量分布，并且对于非稳态模拟，定义了频率。对于热传递和质量传递效应，还指定了颗粒温度和成分。
  - 喷雾和液滴
    术语喷射建模是指将连续液体破碎成液滴的离散相颗粒建模子集。许多工业过程依赖于将液体转化为蒸汽。最常见的一个例子是液体燃料的燃烧。
    - 初次雾化
      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。喷射速度（即，液体离开喷嘴并进入计算域的速度）是喷射计算中最重要的参数之一。它会极大地影响雾化和破碎过程、喷射穿透、相间传递过程以及液滴间和液滴-壁面相互作用。
    - 二次破碎
      液滴有时在非均匀表面力的作用下破碎，这些力由液滴相对于连续相的运动而产生。此现象称为二次破碎。 Simcenter STAR-CCM+ 可提供用于气态蒸汽中的液滴破碎的一组模型。
      - KHRT 破碎模型
        KHRT 破碎模型结合了两个子模型：一个基于开尔文-亥姆霍兹 (KH) 理论，另一个基于瑞利-泰勒 (RT) 理论。这两个破碎子模型均考虑液滴上的不稳定性增长，并为其波长和频率提供表达式。
      - Reitz-Diwakar 破碎模型
        Reitz-Diwakar 破碎模型基于观察到的液滴破碎长度尺度和时间尺度。
      - TAB 变形和破碎模型
        泰勒模拟破碎 (TAB) 模型基于泰勒模拟。该模拟将变形液滴表示为阻尼弹簧-质量系统；它仅考虑液滴振荡的基本模式。弹簧-质量系统中质量的位移和速度对应于液滴的代表性变形和变形率物理量。
      - SSD 破碎模型
        在随机二次液滴 (SSD) 破碎模型中，破碎是与原始液滴大小无关的随机过程。这将在较长的时间限制内生成液滴直径的对数正态分布。
      - 用户定义破碎模型
        用户定义破碎模型用于根据定义的破碎态映射在二次破碎事件中生成子粒子束。破碎过程是随机的，但颗粒直径等属性的确定对于每个液滴都是相同的。破碎事件后，液滴没有父子关系。该方法类似于随机二次液滴 (SSD) 破碎模型。
    - 液滴闪蒸
      闪蒸是指加压流体进入低于其蒸气压的环境条件时迅速发生相变（汽化）。
    - 碰撞与聚结
      Simcenter STAR-CCM+ 使用宿主网格单元或碰撞网格方法检测碰撞。仅当两个颗粒包位于同一网格单元或同一碰撞网格中时才会发生碰撞。Simcenter STAR-CCM+ 用以下碰撞算法中速度较快的一种检测任何特定网格单元中的碰撞。以下算法可用：
    - 壁面碰撞
      颗粒对刚性固体表面的冲击会产生多种不同效应。这些效应取决于颗粒尺寸、速度、材料和表面的性质。例如，液滴可能会粘附、反弹或飞溅。在壁面上沉积的液体可能保留液滴形状，也可能融合成液膜。
  - 颗粒孔隙率
    Simcenter STAR-CCM+ 还提供可选的拉格朗日模型（即颗粒孔隙率），用于定义在内部燃烧的颗粒的孔隙率如何在颗粒反应过程中发生变化。
  - 离散元方法
    离散元方法 (DEM) 设计用于对沙粒、食品颗粒、粉末、胶囊和浆料等材料的颗粒流体进行建模。此类流体的特点是颗粒密度高，颗粒之间的相互作用非常重要。
  - 侵蚀
    在 Simcenter STAR-CCM+ 中，侵蚀模型用于预测颗粒冲击导致的固体壁面侵蚀率。侵蚀率定义为单位时间内从单位面积移除的壁面材料质量。
  - 被动标量相互作用
    被动标量值之间有两种形式的拉格朗日/欧拉相互作用：体积加权和面积加权。被动标量还可以在 DEM 颗粒之间相互作用。
  - 求解方法
    本节介绍了用于求解拉格朗日多相模型和拉格朗日相模型生成的方程组的方法。
  - 多相流 — 拉格朗日方法参考书目
- 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。

Reitz-Diwakar 破碎模型

Reitz-Diwakar 破碎模型基于观察到的液滴破碎长度尺度和时间尺度。

Reitz-Diwakar 破碎模型（[696] 和 [697]）假定破碎在以下两种模式中发生：

“包”破碎，其中液滴周围的非均匀压力场使其在低压尾流区域中膨胀，并在克服表面张力时最终分解
“剥离”破碎，其中液体被剪切或从液滴表面剥离

在任一情况下，[696] 和 [697] 理论研究都可为破碎开始提供标准，同时可提供破碎过程的稳定液滴直径 $D_{s}$ 和特征时间尺度 $τ_{b}$ 的估计。液滴直径将根据以下公式减小：

\frac{d D_{p}}{d t} = \frac{D_{s} - D_{p}}{τ_{b}}

(3141)

其中， $D_{s}$ 为稳定的直径， $τ_{b}$ 为破碎时间尺度。 $D_{s}$ 和 $τ_{b}$ 都取决于活动的破碎流态。

包破碎

第一个破碎流态（即包破碎）产生的原因为，液滴在其后的低压尾流区域中膨胀，并在克服表面张力时最终分解。在以下情况下，假定其可能发生

W e > W e_{c r i t}

(3142)

其中，默认情况下下， $W e_{c r i t} = 12$ 。通过使 Eqn. (3142) 成为等式，可获得稳定的直径。此破碎流态的特征时间尺度为

τ_{b} = \frac{C_{b 2} D_{p}}{4} \sqrt{\frac{ρ_{l} D_{p}}{σ}}

(3143)

剥离破碎

第二个破碎流态（即剥离破碎）由剪切或从液滴表面剥离的液体产生。如果满足 Eqn. (3142) 以及以下条件，则假定其可能发生

W e > max ({2 C}_{s 1} R e^{0.5}, W e_{c r i t})

(3144)

$C_{s 1}$ 的默认值为 0.5。通过使 Eqn. (3144) 成为等式，可获得稳定的直径。此破碎流态的特征时间尺度为

τ_{b} = \frac{C_{s 2}}{2} \sqrt{\frac{ρ_{l}}{ρ}} \frac{D_{p}}{| v_{s} |}

(3145)

$C_{s 2}$ 的默认值为 20。当同时满足 Eqn. (3142) 和 Eqn. (3144) 时，具有最小特征时间尺度的流态占主导作用。