2.STAR-CCM+培训基础

STARTUPSTAR-CCM+NextGenerationCFDCDAJ-Chinaver.3.04.009开始此教程适用于STAR-CCM+的初学者，读者可以参照实际的例题一边操作STAR-CCM+一边学习，以掌握STAR-CCM+的基本使用方法。此教程使用3个例题较全面地介绍了STAR-CCM+的功能和使用方法。此教程的目的在于帮助读者理解STAR-CCM+的网格生成、模拟条件设定、后处理等一系列计算流体力学的要素。Chapter00．CFD是什么？0-1．用计算机来解决流动问题？0-2．网格与差分方法0-3．Navier-Stokes方程0-4．紊流模型在进入正文之前，什么是CFD？在进行CFD时需要注意什么？本章先作一些简单介绍。Chapter00-1．用计算机来解决流动问题？CFD=ComputationalFluidDynamics=计算流体动力学。所谓CFD，是以计算机为工具，用数值的方法来解决『流动』问题的流体力学。下面考虑一个简单的例子。考虑汽车行进中周围的空气阻力因为是流体的流动计算，计算对象是除去汽车车体之外的空气区域由于计算对象的空间被分割为网格，所以在1个网格内可作为同样的状态（物理量）进行计算从边界条件和内部形状等得到计算结果，每个网格有速度矢量、压力、质量等结果信息前方来流条件需要对计算对象区域的边界给予某种条件(边界条件)无摩擦行进速度车体表面大气压左图的例子，汽车周围到天空，空气是连续存在的，把全部的空气做为计算对象是不现实的。(图1)通常的分析中，我们选出有限大的区域，在计算中设定这个区域，在区域边界处给予某种条件即边界条件。(图2)为了以计算机，用数值的方法计算，在所选出的区域内对连续的空气空间进行分割。(图3)图1图2图3图4更细的空间分割程度，能提高计算的分辨率。Chapter0将求解区域的空间分割为网格，以网格上的离散的值来近似空间上连续的值，称为离散化。每一个解析网格即一个控制体。0-2．网格与差分方法解析网格网格（控制体）计算时，从边界条件处获得物理量的值，在相邻网格之间有着质量、动量和能量的传递。随着计算的推进，得到全部网格上流速、压力和密度等物理量的值。边界条件边界条件网格以网格上离散的值构建差分方程的方法称为差分格式，离散网格上的差分方程是连续空间上的微分方程的近似。使用不同的差分格式，计算的精度、稳定性都有变化。从上风获得网格的值上风差分(UD)格式=UpwindDifferencing一阶精度MARS格式=MonotoneAdvectionAndReconstructionScheme二阶精度流速，压力等网格网格网格Chapter0Navier-Stokes方程式完整描述了流体的运动。0-3．Navier-Stokes方程欧拉（1707～1783）瑞士数学、物理学、天文学家纳维尔（1785～1836）法国数学、物理学家斯托克斯(1819～1903)爱尔兰数学、物理学家欧拉方程描述无粘性流体的运动Navier-Stokes方程完整描述流体的运动考虑粘性Navier-Stokes方程离散化的过程还留有某些问题，那就是比网格的分辩率还小的小旋涡(混乱)引起的问题。包含这些小旋涡的流动称为紊流，紊流从大的旋涡慢慢向小的旋涡扩散。如果使用比这些小旋涡还小的网格来计算，计算规模将非常大，现代的计算机处理能力远远达不到实用阶段，所以有必要使用紊流模型来近似。SxDxuxtjjjjρρ非定常项对流项扩散项源项Chapter0为了表现比网格分辩率还小的小旋涡对流动的影响，采用被称为紊流模型的物理模型是必不可少的。0-4．紊流模型层流紊流？？？？？？？？？？？？不能捕捉细小的混乱紊流模型有很多种类。根据旋涡粘性(紊流粘性)的概念近似Raynalds应力，效果较好，应用方便，构成了紊流模型中很大一类。一般的，求解时间平均化了的N-S方程(RANS方程式=ReynoldsAveragedNavier-Stokes)，可作为Raynalds应力的体现，由此发展出一系列紊流模型。但是，在非线性很强的情况下问题会变得很困难。紊流模型时间平均模型RANS空间平均模型LES(Large-eddysimulation)紊流粘性模型应力模型RSM(ReynoldsStressmodels)层流计算线性紊流粘性非线性紊流粘性Chapter1Chapter1STAR-CCM+概述Chapter11-1．STAR-CCM+概述STAR-CCM+的概述相关说明。1-1-1.STAR-CCM+概述1-1-2.多面体网格的特征Chapter11-1-1．STAR-CCM+概述STAR-CCM+的特征相关说明。操作过程流程化，不需要额外复杂的操作新GUI面板使操作更简易化GUI设定采用树状结构清晰明了，通过对话框选择设定不易遗漏和出错所有操作可以在GUI中全部完成Chapter1工程应用实用性很强实时结果显示（矢量，标量，监控数据等）利用各种工程参数判定收敛（流量，力，温度，用户自定义的各种物理量）实时结果显示，包括矢量和标量等残差速度Cd:阻力系数Cl:升力系数对任意工程参数的监测，可以用来判定收敛Cp:压力系数Chapter1任意的多面体形状多面体Chapter11-1-2．多面体网格特征迭代步数vsCd，Cl值迭代步数vsCd，Cl值四面体网格：2，131，703(1.3GB内存)多面体网格：353，022(900MB内存)多面体网格的收敛性更优于四面体网格。只需要更少的迭代步数，Cd，Cl值便可达到比较稳定的收敛数值。Chapter13456710000100000100000010000000NumberofCellsDeltaP(kPa)多面体模型只需要四面体网格数的1/4，但计算精度相当。对网格数量的依赖性比四面体更小。多面体四面体43.25hours10hours1.6hours3%error两种不同类型网格数vs压力损失多面体模型对网格数量的依赖性比四面体小。四面体网格：2，322，106多面体网格：593，888Chapter11-2．STAR-CCM+的功能本节介绍STAR-CCM+的功能。在介绍STAR-CCM+的功能时，引出了一些术语，为了方便以后对STAR-CCM+更好地学习，有必要掌握这些术语的知识。1-2-1.STAR-CCM+的模拟功能1-2-2.STAR-CCM+的模拟流程1-2-3.STAR-CCM+的网格生成功能1-2-4.STAR-CCM+术语Chapter11-2-1．STAR-CCM+的模拟功能定常/非定常Coupled（耦合）求解，Segregated（分离）求解不可压缩/可压缩非粘性/层流/湍流－k-ε系列模型－k-ω系列模型－Spalart-Allmaras系列模型－RSM系列模型－LES系列模型－DES系列模型发动机缸内流动模拟层流和湍流的转捩模拟超音速流模拟Chapter1多孔介质热流固耦合辐射【热流固耦合・辐射】列车刹车盘模拟【多孔介质】热交换器内部流动模拟【热流固耦合】翅片换热器内部流动模拟Chapter1自由表面气蚀燃烧【燃烧】燃烧器模拟【自由表面】船体附近流动模拟【气蚀】柴油机喷射流动模拟【自由表面】气泡在水/油中上升过程模拟Chapter16自由度运动多重旋转参考坐标系滑移网格（网格不产生变形）【多重旋转参考坐标系】压缩机模拟【滑移网格】液力变矩器模拟【6自由度运动】轮船在海上航行模拟Chapter11-2-2．STAR-CCM+的模拟流程STAR-CCM+的模拟流程说明。STAR-CCM+采用树状结构，自上而下的过程使分析更加便捷。几何表面导入网格尺寸和模拟设定创建网格后处理准备结果后处理分析树状模拟管理结构模拟流程Chapter11-2-3．STAR-CCM+的网格生成功能使用STAR-CCM+进行模拟首先需要一套网格，网格的生成过程及模式如下说明。表面导入表面包面表面重构体网格边界层表面准备体网格生成模式1模式2模式3表面导入表面重构体网格边界层表面导入体网格边界层Chapter1模式1CAD(Parasolid,IGES,STEP,STL,Patran,Nastran,pro-STAR(.dbs,.inp/.vrt/.cel)包面表面重构体网格Poly5分结束Chapter1模式2CAD(Parasolid,IGES,STEP,STL,Patran,Nastran,pro-STAR(.dbs,.inp/.vrt/.cel)15分钟完成RemeshPoly包面表面重构体网格Chapter1模式3-1(STL)PolyRemeshSurfWrapper15分钟完成包面表面重构体网格Chapter1模式3-2抽出流体部分Re-surfacepolyCAD(Parasolid)15分钟完成包面表面重构体网格Chapter1导入的复杂几何表面，可以使用[SurfaceWrapper]和[SurfaceRemesher]功能将导入的表面处理成更好更适合生成体网格的表面。导入包面重构Chapter1STAR-CCM+可以生成三种类型的网格。－PolyhedralMesh（多面体网格）－TetrahedralMesh（四面体网格）－TrimmedMesh（以6面体或12面体为核心的网格）体网格多面体网格四面体网格剪裁体网格边界层网格选择其中之一网格生成器。Chapter1PolyhedralMesh（多面体）Chapter1TetrahedralMesh（四面体）Chapter1TrimmedMesh（Hexahedral:6面体核心）Chapter1TrimmedMesh（Dodecahedral:12面体核心）Chapter1四面体网格多面体网格TrimmedMesh（十二面体核心）TrimmedMesh（六面体核心）Chapter1Tips.STAR-CCM+可接收的文件类型STAR-CCM+可以读入的网格文件类型包括。•STLfile(*.stl)•IGESfile(*.iges，*.igs)•STEPfile(*.step，*.stp)•ParasolidTransmitfile(*.x_b，*.x_t)•pro-STARdatabasefile(*.dbs)•pro-STARinput(cell/vertex)file(*.inp)•STARCCMfile(*.ccm)•pro-STARmeshfile(*.ngeom)•NASTRANfile(*.nas)•PATRANfile(*pat)•FLUENTcasefile(*cas)Chapter11-2-4．STAR-CCM+术语下面说明一下STAR-CCM+使用中的四个术语。－Region（区域）－Boundary（边界）－Interface（交界面）－Continua（连续体）各术语的意义使用下面的模型来解释。Chapter1Region（区域）－Region代表模拟区域内的空间。－各Region通常由Boundary（边界）区分开。Region1Region4Region2Region3Chapter1Boundary（边界）－Boundary存在于Region的表面。－Boundary上能够指定边界条件。－以下模型中，InterfaceBoundary为区域交界面，Wall为其他壁面。InterfaceBoundaryInterfaceBoundaryWallWallWallInletWallWallWallInterfaceBoundaryOutletInterfaceBoundaryInterfaceBoundaryInterfaceBoundaryChapter1Interface（交界面）－Interface是为了结合不同的Region来使用的。－Interface的设定，可以使质量及能量在不同的