STAR-CCM+新一代CFD软件

STAR-CCM+——新一代CFD集成化平台STAR-CCM+简介…………………………………………………………………（1）STAR-CCM+的主要功能与特点…………………………………………………（1）STAR-CCM+的网格方案…………………………………………………………（7）STAR-CCM+的专业模块………………………………………………………（12）STAR-CCM+在工业中的应用…………………………………………………（14）STAR-CCM+简介STAR-CCM+是CD-adapco集团推出的新一代CFD集成化平台。采用昀先进的连续介质力学算法(computationalcontinuummechanicsalgorithms)，并同卓越的现代软件工程技术相结合，拥有出色的性能和高度的可靠性，是热流体工程师强有力的分析工具。在完全不连续网格、滑移网格和网格修复等关键技术上，STAR-CCM+经过来自全球10多个国家，超过200名知名学者的不断补充和完善，已成为同类软件中网格适应性、计算稳定性和收敛性方面的佼佼者。近年来，STAR-CCM+一直是计算流体动力学模拟的通用平台，并获得了良好的声誉。如今，STAR-CCM+本身已经不仅仅是计算流体动力学软件，其昀新发布的版本基于领先的计算流体动力学求解器引入了结构分析计算的求解能力，同时还添加了噪声求解功能。一个流动、传热、应力和噪声模拟一体化的通用软件首次呈现在用户面前。STAR-CCM+强大的网格生成工具，完备的物理模型和先进的CFD技术使得其被广泛应用于所有流体计算领域，涉及的行业有航空航天、汽车、生物医疗、建筑、化学、电子器件、能源、石油天然气、环境、船舶和旋转机械等。昀新发布的STAR-CCM+版本在网格生成技术、物理模型、连续介质数值算法、大规模并行计算能力、集成的用户界面等方面都取得了重大进展，进一步巩固了STAR-CCM+在通用计算流体力学方面的领导地位。STAR-CCM+的主要功能与特点友好的用户界面z集成的图形用户界面—将前后处理与计算分析集成在同一个环境中；z跨平台的用户界面—界面采用JAVA语言编写，可实现通过C-S模式进行跨操作系统的工作，并行计算可多个操作系统进行；z可采用C/C++/FORTRAN语言编写用户子程序，并可使用Java语法编辑场函数；z丰富的图片系统。灵活的3D-CAD建模和CAE集成功能3D-CAD建模功能z可进行完全参数化的3D建模，生成几何模型或对导入的几何模型进行修改；z使用特征树来记录和控制3D模型建模过程；z输出设计参数使得用户可以在非设计界面下修改3D模型；z完全集成在STAR-CCM+的工作流程中。1CAE集成功能z可将任意场函数映射和输出到其他程序中；z与ABAQUS、NASTRAN、RADTHERM的单元-单元、单元-节点、节点-节点之间数据映射；z使用昀小二乘法的体到体数据映射（用于网格替换）。先进的几何处理和网格生成功能z对输入的几何进行自动或者手动的修复，基于点、线、面的修补功能，强大且灵活；z全新的包面功能（surfacewrapper）：可将工程案例中复杂且破碎的CAD模型自动转化为封闭的面网格，节省大量的CAD数据手工修复时间；z全自动生成多面体网格、四面体网格与六面体网格而无需人工干涉；z表面特征保持与简化、防止接触、漏点检查、自动或手工修补表面等高级功能。STAR-CCM+的多面体网格（polyhedral）STAR-CCM+“蜂窝猜想”的数学问题一直到1999年6月才得到完全证明：六边形拓扑网格可以利用昀少的周长划分相同面积。2－“Ahexagonalgridrepresentsthebestwaytodivideasurfaceintoregionsofequalareawiththeleasttotalperimeter”－－ThomasCHalesUniversityofMichiganTrimmed（左）和Polyhedral（右）壁面都有5层prism边界层典型的多面体网格Tetrahedral－650,000单元Polyhedral－138,000单元四面体是一种比较简便的自动划分方式。每个四面体有四个相邻单元，对于单元中心的数值是采用线性的近似。但是，当相邻节点的空间位置接近于一个平面时，垂直于这个面的梯度就难以计算准确；当一个单元的面位于边界上时，它的相邻三个单元计算可能出现计算不准，在计算区域的边和角的位置，四面体的问题更突出。多面体网格克服了传统网格的缺点：—有更多的相邻单元，梯度的计算和当地的流动状况预测更准确；—多面体对几何的变形没有四面体敏感。智能的网格工具使得单元可以自动融合、分裂，或者增加新的点、线、面；—对于回流的流动，例如顶盖驱动的空穴流，多面体的计算精度甚至超出Hexa网格。STAR-CCM+可以接受目前流行网格生成软件的网格（Hexa、Tetra等），也可以解算多面体网格（Poly）。多面体网格和相同数量的四面体网格（Tetra）相比，不但计算结果更精确，而且解算速度快3～5倍。3STAR-CCM＋具有功能强大的网格生成器，可自动划分多面体网格、四面体网格、Trimmed网格。四面体(Tetra)网格和多面体(poly)网格的对比：例1四面体模型四面体网格:2,131,703(1.3GBmemory)多面体模型多面体网格:353,022(900MBmemory)多面体只需四面体网格数的1/5，但计算精度相当。同时收敛速度、趋势更好于四面体网格。例24四面体网格:39,587四面体网格:2,322,106四面体（Tet）网格:2,322,106多面体网格:21,872多面体网格:593,888多面体（Poly）网格:593,888多面体模型只需四面体网格数的1/4，但计算精度相当；并且多面体模型对网格数目的依赖性比四面体模型更小。大规模并行计算能力zSTAR-CCM+服务器端采用C++编写，有较高的计算效率，基于Java的客户端则保证了STAR-CCM+的跨平台操作与优良的操作界面；zSTAR-CCM+使用client-server架构，能很好地处理跨平台运算问题，在运行过程中，仿真文件在服务器端上创建并求解，而在客户机上进行界面操作；zSTAR-CCM+能实现10亿左右网格的大规模并行计算，在前后处理方面也实现了多CPU并行功能。5先进的连续介质技术与物理模型z二维、轴对称、三维、稳态、显式非稳态、隐式非稳态、谐波平衡法、运动参照坐标系模型、刚体运动模型、6自由度（DynamicFluidBodyInteraction）模型、网格变形（Morphing）；z气体、液体、固体、单相及多相混合以及多孔介质；z分离解法（segregatedsolver）、耦合解法（coupledsolver）；z不可压缩流、可压缩流z无粘、层流、湍流、转捩、非牛顿流体；z湍流模型：Spallart-Allmaras、K-Epsilon、K-Omega、RSM、LES、DES等19种模型；zVOF多相流、欧拉多相流、拉格朗日多相流；z沸腾、蒸发、冷凝、凝固、融化、空化（cavitation）、除霜与除雾；z热传导、对流、辐射（S2S法、DOM法，可以考虑非灰体、镜面反射等效应）、燃烧；z燃烧模型：EddyBreak-Up(EBU)model、ThePremixedEddyBreak-UpModel、HomogeneousReactorModel、TheCoherentFlameModel(CFM)、ThePartially-PremixedCoherentFlameModel(PCFM)、PresumedProbabilityDensityFunction(PPDF)model、Noxmodel、CoalCombustionModel、详细化学反应模型（DARS-CCM+）；z噪声源预测模型：Curlenosesourcemodel、GoldsteinAxisymmetricnoisesourcemodel、LinearizedEulerEquation(LEE)noisesourcemodel、Lilleynoisesourcemodel、Proudmannoisesourcemodelz基于有限体积法的应力、应变解析功能；z与GT-Power、ABAQUS、NASTRAN、RADTHERM、FFT/ACTRAN、LMS/Virtual.Lab、Dars-CFD、Chemkin等第三方软件进行耦合计算。STAR-CCM+的求解器算法zSTAR-CCM+的耦合（Couple）求解器对于解决超音速激波、自然对流和其它速度、压力、温度强耦合的工程问题更精确。z先进的基于单元的离散技术z独特的多面体网格技术z耦合式或分离式的流动与能量方程求解器6　隐式耦合算法——块AMG求解器　显式耦合算法——多步Runge-Kutta求解器　隐式分离算法——AMGSIMPLE求解器z代数多重网格线性方程求解器z多种收敛判定准则交互式工具包z界面导航式的模拟条件定义方式z局部坐标系（Localcoordinatesystems）——笛卡尔、圆柱、球坐标等，方便定义速度和方向矢量z工程单位的使用——SI、USCS，或用户自定义z一体化的分析及可视化工具提供了模拟过程中实时的信息反馈，用户与求解之间可完全交互式操作，用户可以随时暂停求解，调整参数并继续z场函数（Fieldfunctions）——丰富的预设的标量、矢量场函数，以及用户定义的场函数z报告（reports）和监控器（monitors）——残差、CPU时间、通量、力、力矩、力矩系数、平均值、昀大值、昀小值、求和、积分等z衍生体（Derivedparts）——等值面、剖面、线、点、threshold面、ISO面、流线、单元表面等zx-y绘图——多组数据同时显示（multiple-plotdata）；残差或任何报告值（reportvalue）的显示，每迭代步或每时间步的实时更新z可视化—网格、标量和矢量的显示—流线—周期性和对称性的可视化—点源—保存/恢复视图管理器STAR-CCM+的网格方案网格方案流程表面几何输入z可以导入的面网格或几何：　*.dbs-pro-STARsurfacedatabasemesh7　*.inp-pro-STARcell/vertexshellinputfile　*.nas-NASTRANshells　*.pat,*.ntl,*.neu-PATRANshells　*.stl-Stereolithographyfile　*.fro-FELISAFrontSurface　*.x_t,*.x_b-ParasolidTransmitFiles　*.iges,*.igs-IGESFiles　*.step,*.stp-STEPFiles　*.model,*.exp,*.session-CATIAV4Files　*.catpart,*.catproduct-CATIAV5Files　*.sldprt,*.sldasm-SolidWorksFiles　*.prt,*.asm-Pro/ENGINEERFiles　*.prt-UnigraphicsNXFiles　*.ipt,*.iam-AutodeskInventorFiles　*.vda-VDAFiles　*.jt-JTOpensurfacemesh面网格z面网格工具：　Surfaceremesher　Surfacewrapper　Auto/Manualrepair体网格z多种体网格模型：　Tetrahedral　Polyhedral　Trimmed　ThinMesher　GeneralizedCylinder　Extruderz边界层网格模型：PrismLayerz精细网格调节：　全局、局部表面、局部特征线的网格参数设置　VolumetricControls网格演化zTransform–缩放,平移和旋转z对边界（boundaries）和区域（regions）的分裂和合并z创