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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。
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。
液体组分传递
当两个液 - 固 - 气混合物 DEM 颗粒碰撞时，混合物中液体组分的质量传递通过液体组分传递模型计算。液体组分的质量传递率与组分的质量梯度成正比。 $i$ 在此过程中，总质量、能量和动量守恒。

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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。
  - 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。
    - 接触力
      DEM 中的接触力公式通常是弹簧-阻尼器模型的一种变体。弹簧产生排斥力将颗粒推开，而阻尼器表示粘性阻尼并允许模拟除完全弹性以外的碰撞类型。
    - 颗粒聚类和破碎
      颗粒粘接用于将颗粒模型扩展成更复杂的（柔性）形状或结构。可使用颗粒簇模型创建成组的颗粒来表示复杂的形状。颗粒簇模型调用粘接颗粒模型，其中个体颗粒保留各自独立的身份并通过弹性柔顺的粘接相互链接或者链接到壁面。通过添加损坏模型，可使簇断裂和分裂，从而使构成颗粒与簇分离开来。
    - 热传递
      当颗粒与其他颗粒或壁面接触时，通过传导传递热量。热传递速率取决于温度差、有效接触面积和材料的导热率。
    - 液体组分传递
      当两个液 - 固 - 气混合物 DEM 颗粒碰撞时，混合物中液体组分的质量传递通过液体组分传递模型计算。液体组分的质量传递率与组分的质量梯度成正比。 $i$ 在此过程中，总质量、能量和动量守恒。
  - 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。

液体组分传递

当两个液 - 固 - 气混合物 DEM 颗粒碰撞时，混合物中液体组分的质量传递通过液体组分传递模型计算。液体组分的质量传递率与组分的质量梯度成正比。 $i$ 在此过程中，总质量、能量和动量守恒。

Simcenter STAR-CCM+ 使用面积加权法和体积加权法计算质量传递。

加权面积: $\dot{m_{i}} = k (\frac{M_{1 i}}{A_{1}} - \frac{M_{2 i}}{A_{2}}) α$
(3350)

其中：

$A_{1}$ 和 $A_{2}$ 分别为颗粒 1 和颗粒 2 的表面积。
$\dot{m_{i}}$ 为 $i^{t h}$ 液体组分的质量传递速率。
$k$ 为用户指定的质量传递速率系数。
$M_{1 i}$ 和 $M_{2 i}$ 分别为颗粒 1 和颗粒 2 的混合物的 $i^{t h}$ 液体组分的质量。
$α = 4 π R^{2}$ 为比例常数。

加权体积: $\dot{m_{i}} = k (\frac{M_{1 i}}{V_{1}} - \frac{M_{2 i}}{V_{2}}) α$
(3351)

其中：

$V_{1}$ 和 $V_{2}$ 分别为颗粒 1 和颗粒 2 的体积。
$α = \frac{4}{3} π R^{3}$ 为比例常数。

$R$ 为颗粒半径的调和平均值，由以下公式给出：

\frac{1}{R} = \frac{1}{r_{1}} + \frac{1}{r_{2}}

其中，

r_{1}

和

r_{2}

为颗粒 1 和颗粒 2 的半径。