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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。
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。

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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
- 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。
  - 传导
    热传导是指通过组成导电物质的微观颗粒之间的相互作用来传递内能的过程。能量从高温流向低温，因为高温区域中的这些颗粒比相邻低温区域中的颗粒能量更高。
  - Convection
    Convective heat transfer is the transfer of thermal energy by the combined effects of random molecular motion (diffusion) within the fluid, and the overall movement of the fluid from one place to another. In engineering practice, it is used to provide specific temperature changes.
  - 热边界条件
    模拟非等值热流时，需要指定如何确定跨壁面边界的能量流。Simcenter STAR-CCM+ 提供了各种选项，例如定义绝热壁面、指定固定壁面温度或假设边界外侧的对流流。
  - Conjugate Heat Transfer
    A conjugate heat transfer (CHT) problem is solved across a contact interface, where different materials, such as fluid and solid or a porous medium and solid, exist on the two sides of the defined interface.
  - 热辐射
    热辐射是来自温度大于绝对零的所有物质的电磁波发射，并且表示热能到电磁能的转换。物质中带电颗粒的热运动导致电荷加速和偶极振荡。此行为会推动耦合电场和磁场的电动生成，导致热辐射发射。
  - 太阳辐射
    与日照环境的热辐射交换包括直接分量和漫射分量。
  - 热舒适性
    人类是吸热恒温动物，通过生理和行为动作来调节内部体温，从而在不同热失调情况下保持恒定的身体中心温度。恒定的身体中心温度保持在 36 °C - 38 °C 这个狭窄范围（静止时的正常范围），在高强度运动下可高达 41 °C，这由下丘脑的温度调节中心来控制。
  - 充分发展流和能量
    充分发展流出现在较长的管或管排中。对于无热传递或传输标量的简单流，可将压力之外的所有流体变量视为周期性变量。通常会在交界面处有跃变的条件下对压力建模，该跃变可补偿流过系统的流向压降。在存在能量的情况下，如果温度和/或焓的分布在使用适当的缩放比例时变为自相似，则可视为发生充分发展。在这些情况下，可使用自相似性关系从流出处交界面边界重新缩放温度分布，以在流入交界面边界处使用。
  - 周向热通量平均公式
  - 具有固定壁面边界的旋转流体的能量平均
    对于旋转机械模拟，Simcenter STAR-CCM+ 提供了使用移动（旋转）参考坐标系对旋转流体进行建模的选项。通常情况下，流体以指定的旋转速度随参考坐标系旋转，而固定罩体建模为驻留在另一参考坐标系上的固定壁面边界。由于流体（以及相关叶片）旋转，因此需要对固定壁面边界处的热传递分布进行平均。圆周平均在径向离散间隔上执行。要计算旋转流体区域内侧的平均热通量，以及对周围固定壁面边界的平均热影响，可考虑将观察器放置在固定边界上并查看旋转的内部介质的内部。
  - 沸腾
    沸腾是液体的快速汽化。通常当液体加热到超过液体的沸腾温度时发生沸腾。对于与超过液体沸腾温度的壁面接触的单组分液体，沸腾模型模拟汽化潜热效应，而不模拟蒸汽。
  - 水分沸腾
    水分沸腾模型是一种围绕多孔固体中的水分沸腾对温度的影响建模的简单方法。该模型考虑当多孔固体内部的水分因固体加热至超过水分沸腾温度的温度而蒸发时汽化潜热的影响，例如重力压铸应用。
  - 热传递参考书目
- 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。

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。

在 Simcenter STAR-CCM+ 中，可以计算流体（单组分或多组分）内、不同流体束之间、流体和固体之间以及固体内的热传递。流体和相邻固体中的耦合热传递被称为共轭传热。对于共轭传热分析，使用流体/固体交界面处的有效隐式热耦合在整个流体和固体求解域中求解能量方程。所有其他守恒方程仅在流体内进行求解。

流体中的能量方程

Simcenter STAR-CCM+ 采用以下积分形式实现能量方程：

图 1. EQUATION_DISPLAY

\frac{\partial}{\partial t} \int_{V} ρ E d V + \oint_{A} ρ H v \cdot d a = - \underset{Conduction}{\underset{︸}{\oint_{A}^{} \dot{q} ″ \cdot d a}} + \underset{Viscous Work}{\underset{︸}{\oint_{A}^{} T \cdot v d a}} + \int_{V} f_{b} \cdot v d V + \oint_{A}^{} \sum_{i}^{} h_{i} J_{i} d a + \int_{V} S_{u} d V

(1657)

其中：

$E$ 为总能量。
$H$ 为总焓。
$\dot{q} ″$ 为热通量矢量。
$T$ 为粘性应力张量。
$v$ 为速度矢量。
$f_{b}$ 为表示旋转、重力和风扇模式的组合体积力的体积力矢量。
$h_{i}$ 为分量 $i$ 的焓。
$J_{i}$ 为分量 $i$ 的扩散通量。
$S_{u}$ 为用户指定的源项。

总能量通过以下公式与总焓 H 相关：

图 2. EQUATION_DISPLAY

E = H - p / ρ

(1658)

其中：

图 3. EQUATION_DISPLAY

H = h + {| v |}^{2} / 2

(1659)

$h$ 为静焓。

固体中的能量方程

固体中能量传输的控制方程如下所示：

图 4. EQUATION_DISPLAY

\frac{d}{d t} \int_{V} ρ C_{p} T d V + \oint_{A} ρ C_{p} T v_{s} \cdot d a = - \oint_{A} \dot{q} ″ \cdot d a + \int_{V} S_{u} d V

(1660)

其中：

$ρ$ 为固体密度。
$C_{p}$ 是比热。
$T$ 为温度。
$\dot{q} ″$ 为热通量矢量。
$v_{s}$ 为固体对流速度（仅当区域为纯旋转体时才适用）。
$S_{u}$ 为固体中的用户自定义体积热源。

Simcenter STAR-CCM+ 使用有限体积法（分离固体能量和耦合固体能量模型）或有限元方法（有限元固体能量模型）求解 Eqn. (1660)。有限元实现不包括 Eqn. (1660) 左侧的第二项。