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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。
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。
边界条件
要完成数学模型，在求解域边界上指定条件。
速度入口
速度入口边界通常用作流入条件，其中速度的分布和流体属性已知。在此流入边界处，各种条件是预先指定的并用于计算入口体积通量以及动量和能量的通量。

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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。
  - 轴对称流
    对于在几何与流条件下按中心轴对称的流体流，Simcenter STAR-CCM+ 可以在 2D 求解域中对该流进行建模。
  - 状态方程
    状态方程为本构关系，用于描述密度和内能与两个热力学基本变量压力和温度之间的关系。
  - 牛顿流体
    牛顿流体由显式本构方程表示，该方程通过恒粘度将粘性应力张量 $T$ 与速度场相关联。剪切应力与剪切速率之间存在线性关系。
  - 非牛顿流体
    对于许多工业流体，由于其微观结构十分复杂，因此假设流体具有线性粘性流体行为还不够。这些流体表现出非牛顿行为。
  - 边界条件
    要完成数学模型，在求解域边界上指定条件。
    - 滞止入口
      滞止入口边界是指定压力和温度的总值以及流向时的流入条件。滞止条件是指位于上游虚室中的条件，在这个虚室中流体完全处于静止状态。
    - 速度入口
      速度入口边界通常用作流入条件，其中速度的分布和流体属性已知。在此流入边界处，各种条件是预先指定的并用于计算入口体积通量以及动量和能量的通量。
    - 质量流量入口
      可以使用质量流量入口边界指定边界处的已知质量流率或质量通量（每单位面积的质量流率）。此边界条件主要用于指定跨边界向内的质量流量，但也用于指定向外的质量流量。质量流量入口适用于压缩和不可压缩的流态。
    - 压力出口
      压力出口边界为施加工作压力的流出条件。此边界压力可以视为流体进入的环境的静压。
    - 出口
      出口边界表示不发生回流的流出条件。在计算域中流体仅朝外的位置处应用出口边界。因此，流出条件不预先指定，但它们由出口边界的上游确定。可以在计算域中放置多个出口边界。
    - 对称平面
      对称平面边界表示模拟中对称的虚平面。在几何和流体对称的位置中，可以使用对称平面边界条件来减少计算域的范围。对称平面边界也可以用作平面“滑移壁面”，其剪切应力为零。
    - 壁面
      壁面边界表示限制流体区域或固体区域的不渗透表面。
    - 自由流
      自由流边界可用于对远场边界处的自由流可压缩流条件建模。
  - 重力
    重力产生的力通常在流体和固体的动量平衡中起着重要作用。重力产生的体积力作为源项添加到动量方程中。
  - 涡流抑制
    当今的很多工程领域都需要长距离准确地追踪隔离的涡流。
  - 体积分区
    当模拟双向耦合拉格朗日多相流或离散多相 (DMP) 流时，离散相的体积将减去连续流体所占的实际体积和计算通量的实际面积。对于液膜模拟，与液膜相邻的流体的可用体积小于网格单元体积。同样，在使用物理速度公式的多孔介质建模中，一部分网格单元体积被固相占据，因此减少流体的可用体积。对于二维模型，假定网格具有单位深度（以 SI 单位表示）。
  - 流体流参考书目
- 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
- Transition
  The term transition refers to the phenomenon of laminar to turbulence transition in boundary layers. A transition model in combination with a turbulence model predicts the onset of transition in a turbulent boundary layer.
- 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。
- 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。

速度入口

速度入口边界通常用作流入条件，其中速度的分布和流体属性已知。在此流入边界处，各种条件是预先指定的并用于计算入口体积通量以及动量和能量的通量。

边界输入

对于速度入口边界，需要指定以下变量：


输入	不可压缩状态方程	可压缩状态方程（仅用于亚音速可压缩流）
速度 $v_{s p e c}$	✓	✓
流入方向 $θ_{s p e c}$	✓	✓
静态温度 $T_{s, s p e c}$	✓	✓

速度

v_{s p e c}

相对于参考坐标系指定，该坐标系可以是基准参考系、区域参考坐标系或局部参考坐标系。流向可以指定为垂直于边界、单独的角度分量，也可以直接指定为流向角。

计算值

速度入口边界条件适用于不可压缩流和（亚音速）可压缩流。在边界处，Simcenter STAR-CCM+ 会根据流情况施加或计算以下值：

速度 $v$
静压 $P_{s}$
静态温度 $T_{s}$

不可压缩和可压缩状态方程

将边界面速度指定为边界处的指定速度：

图 1. EQUATION_DISPLAY

v = v_{s p e c} \cdot θ_{s p e c}

(780)

静压 $P_{s}$ 是从域内部的静压推算得到的：

图 2. EQUATION_DISPLAY

P_{s} = P_{s}^{e x t}

(781)

对于非等温情况，边界面处的温度计算如下：

流入: 在流入条件下，向面的静态温度值分配指定的静态温度：; 图 3. EQUATION_DISPLAY

$T_{s} = T_{s, s p e c}$
(782)
流出: 在流出条件下，面的静态温度值从相邻网格单元推算得出：; 图 4. EQUATION_DISPLAY

$\begin{matrix} T_{s} \end{matrix} = T_{s}^{e x t}$
(783)

密度 $ρ$ 和总焓 $H_{t}$ 计算如下：

图 5. EQUATION_DISPLAY

\begin{matrix} ρ & = & ρ (P_{s}, T_{s}) \\ H_{t} & = & H_{s} (P_{s}, T_{s}) + \frac{v^{2}}{2} \end{matrix}

(784)