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物理模拟
Simcenter STAR-CCM+ 可对广泛的物理现象进行建模，包括流体力学、固体力学、热传递、电磁学以及化学反应。具有多个时间尺度的方案可以在同一模拟中求解。
伴随
伴随法是用于预测许多设计参数和物理输入对某些相关工程量（即，模拟的工程目标）的影响的有效方法。换言之，它根据设计变量（输入）提供目标（输出）的灵敏度。
伴随拓扑优化
借助增材制造技术的进步，可创建由基于模拟的生成式工程确定形状的组件。Simcenter STAR-CCM+ 提供了一种拓扑优化方法，用于通过将固体材料放置在不影响工程目标的设计空间部分中来生成流体通道。
伴随拓扑优化的常规工作流
在 Simcenter STAR-CCM+ 中，基于伴随的拓扑优化通过拓扑优化模型激活，这需要耦合流体模型和伴随模型。以下步骤概述了推荐的工作流。

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物理模拟
Simcenter STAR-CCM+ 可对广泛的物理现象进行建模，包括流体力学、固体力学、热传递、电磁学以及化学反应。具有多个时间尺度的方案可以在同一模拟中求解。
- 定义物理工作流
  Simcenter STAR-CCM+ 为模拟单相和多相流体流、热传递、湍流、固体应力、动态流体相互作用、气动声学和相关现象提供了一系列物理模型和方法。这些物理模型全部可使用物理连续体选择。
- 设置物理
  本节介绍如何在 STAR-CCM+ 中设置物理模型。
- 运行物理模拟
  文档的此部分介绍运行 Simcenter STAR-CCM+ 模拟的准备和步骤。
- 运动
  通常，运动可以定义为体相对于特定参考坐标系的位置变化。
- 空间
  Simcenter STAR-CCM+ 中空间模型的主要功能是为计算和访问网格度量提供方法。网格度量的示例包括网格单元体积和形心、面网格面积和形心、网格单元和面索引以及偏斜角。
- 时间
  Simcenter STAR-CCM+ 中时间模型的主要功能是提供控制迭代和/或非稳态时间步进的求解器。
- 网格运动和自适应
  许多涉及运动或几何更改的模拟需要移动网格或使网格变形。其他模拟需要局部网格自适应才能获得精确的解。
- 材料
  材料模型对物质（包括各种混合物）进行模拟。
- 流体流
  许多工程设计项目都要求预测流动流体对其中包含的结构或浸入对象的影响。虽然可以通过人工计算来分析简单情景，但复杂情景要求应用数值方法来得到精确求解。
- 粘性流
  粘性流是一种有限元方法，用于粘弹性材料和其他高粘度非牛顿流体，如液态塑料和橡胶、面团和类似食品、熔融态玻璃以及泥浆。粘弹性材料与弹性材料类似，但同时具有粘性效应，变形后会缓慢反弹。
- 被动标量
  被动标量是具有任意值的用户自定义变量，被分配给液相或单个颗粒。它们不会影响模拟的物理属性，因此为被动标量。可以直观地将被动标量视为流体中的示踪染料，但是通过数值而不是颜色示踪，并且没有可感知的质量或体积。
- 热传递
  热传递研究的是由介质中或介质之间的温度差导致的能量传递。热传递扩展了热力学分析的范围，采用的方法包括研究能量传递模式以及建立计算能量传递速率的公式。
- 组分
  本章包含 Simcenter STAR-CCM+ 中化学组分模型的相关信息。从物理模型选择对话框的材料模型部分中选择多组分液体或多组分气体时，组分模型将激活。
- 多孔介质
  通过 Simcenter STAR-CCM+，可以运用使用相应损耗（或“扩散”）系数表示多孔介质的操作概念，模拟如何通过多孔介质传输流体或能量（例如，热量或电荷）。
- 伴随
  伴随法是用于预测许多设计参数和物理输入对某些相关工程量（即，模拟的工程目标）的影响的有效方法。换言之，它根据设计变量（输入）提供目标（输出）的灵敏度。
  - 伴随分析工作流
    伴随分析包括两个主要步骤。首先，使用耦合流模型或者结合使用耦合流模型和耦合能量模型来模拟稳态问题。此模拟的结果称为“最初的求解”。最初的求解可以包括等温流体流、固体中含能量和传导的流体流或流体和固体之间的共轭热传递。在以下步骤中，可以从先前获得的最初求解开始设置并运行伴随分析。不同于逐步运行伴随模拟，Simcenter STAR-CCM+ 还提供了通过模拟操作设置用户自定义伴随工作流的方法。
  - 伴随形状优化
    伴随形状优化使用伴随灵敏度根据用户自定义成本函数衍生出优化的形状。例如，优化的管道形状可降低管道中的总压降（成本函数）。
  - 伴随拓扑优化
    借助增材制造技术的进步，可创建由基于模拟的生成式工程确定形状的组件。Simcenter STAR-CCM+ 提供了一种拓扑优化方法，用于通过将固体材料放置在不影响工程目标的设计空间部分中来生成流体通道。
    - 伴随拓扑优化的常规工作流
      在 Simcenter STAR-CCM+ 中，基于伴随的拓扑优化通过拓扑优化模型激活，这需要耦合流体模型和伴随模型。以下步骤概述了推荐的工作流。
      - 准备几何和网格
        设置拓扑优化的第一步是确定要在其中创建流体通道的设计空间。
      - 选择拓扑优化物理模型
        通常，可以创建流体物理连续体并将其分配给拓扑优化的所有区域。在这一物理连续体中，可激活拓扑优化模型和拓扑物理模型。在拓扑物理模型中创建一个固相，可以在此固相中指定要优化的区域。
      - 设置伴随求解器和成本函数
        可定义成本函数，以用作优化目标和用户自定义约束。
      - 设置拓扑优化和拓扑物理模型
        在运行优化前，先设置拓扑优化模型和拓扑物理模型。
      - 定义拓扑优化求解器和约束
        将创建的成本函数 [目标] 添加到拓扑优化求解器以作为目标。除求解器内置约束—体积比约束外，还可以定义需要伴随成本函数的用户自定义约束。
      - 对拓扑优化应用 AMR（可选）
        运行拓扑优化时，可以选择根据材料指示器场的梯度设置自适应网格细化，以驱动固体-流体交界面细化。AMR 自适应仅适用于 3D 网格。
      - 设置拓扑优化的停止条件
        要控制运行，可为原始和伴随求解器创建特定于求解器的停止条件。
      - 为拓扑优化准备模拟序列
        与伴随工作流类似，必须使用模拟操作来设置基于伴随的拓扑优化自动工作流。
      - 验证优化设计
        对于 3D 情况，在运行拓扑优化后，可以在新的模拟中抽取和验证优化的通道表面。
  - 增强耦合流体求解器收敛行为
    对于标准流体分析，流体变量的残差无需收敛到机器精度。但是，要确保伴随求解器稳定收敛，在最初的求解中达到特定级别的收敛十分重要。
  - 计算伴随误差估计
    伴随误差估计将高亮显示流体中高数值的不精确性影响相关成本函数精度的位置。伴随求解完成之后，可计算特定成本函数（例如，通道中的压降或翼型曳力）的伴随误差估计。通过场函数可访问伴随误差估计。
  - 计算伴随参数灵敏度
    伴随参数灵敏度可用于计算给定全局参数对相关成本函数（目标）的影响。针对任何类型的伴随流体分析，都可以使用参数灵敏度来研究模拟边界条件如何影响工程目标并可能优化这些条件。
  - 伴随中的用户源项
    某些情况下您需要提供源项来补充流方程，Simcenter STAR-CCM+ 会区分这些源项，只要它们是通过使用受支持的物理量和运算符的场函数定义的。
  - 伴随求解器故障排除
    与标准流体模拟类似，迭代过程很可能不收敛，甚至会发散。
  - 可视化伴随求解
    特定伴随场函数可用于可视化伴随求解。
  - 伴随求解器参考
    伴随方程使用迭代缺陷校正算法求解。对于复杂问题，还可以选择添加 GMRES 和灵活 GMRES 稳定。
  - 伴随成本函数参考
    伴随成本函数对应于伴随流体分析期间检查的工程目标。例如，减少管道系统中的压降便属于一项工程目标。另外，减少汽车周围的阻力也属于一项工程目标。
  - 网格变形参考
    通过设置“变形指定”和“变形薄化因子”，指定网格变形求解器属性并定义网格变形边界条件。
  - 伴随拓扑优化模型参考
    伴随拓扑优化模型用于确定指定域中材料在优化目标和约束（定义为伴随成本函数）方面的最佳分布。
  - 伴随场函数
    计算伴随求解和灵敏度时，可使用以下场函数。
- 风扇和风机
  Simcenter STAR-CCM+ 提供了应用典型风扇定律的轴向和径向风扇模型。
- 虚拟盘体模型
  虚拟盘体模型基于将螺旋桨、涡轮机、旋翼和风扇等表示为执行器盘体的原则。当担心旋翼/螺旋桨行为对流体的影响，而不是了解旋转设备的流体和叶片之间详细的相互作用时，执行器盘体处理是可行的。
- 湍流
  工程中关注的大多数流体流都具有不规则的波动流量。
- 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。
- 辐射
  辐射模型是 Simcenter STAR-CCM+ 的所有辐射建模功能的起点或切入点。本节介绍了 Simcenter STAR-CCM+ 的辐射建模。
- 气动声学
  气动声学研究声音的空气动力生成过程。
- 反应流体
  Simcenter STAR-CCM+ 提供了一系列可用于模拟各种反应流体应用的模型。
- 内燃机
  在内燃机 (ICE)（例如汽油发动机）中，燃烧过程发生在发动机内的一个气缸（或多个气缸）中。工作流体为燃料和氧化剂混合物（通常为空气），它会发生反应以形成燃烧产物。
- 多相流体
  多相流这个术语指相间存在不同交界面的同一系统中的多个相的流体和相互作用。Simcenter STAR-CCM+ 将相共存的流选项视为：液体中的气泡、气体中的液滴、气体或液体中的固体颗粒和/或（大尺度）自由表面流。
- 动态流体相互作用
  Simcenter STAR-CCM+ 中的动态流体相互作用 (DFBI) 用于使用定义的机械和多物理场相互作用（流、DEM、固体应力、EMAG）生成的位移和旋转来模拟 6 自由度体的运动。
- 谐波平衡
  某些非稳态流体具有定期重复的流体模式，即它们具有时间周期性。考虑从风扇叶片流经管道入口的流体。管道中瞬时流体的测量将显示定期重复模式。如果流体干扰足够大，并且传播到管道末端，则管道中任何点处的非稳态流体的测量会显示重复模式。可以使用傅立叶级数表示此类时间周期性模式。
- 固体应力
  使用 Simcenter STAR-CCM+，可以对固体连续体对应用负载（包括机械负载和固体温度变化导致的热负载）的响应进行建模。
- 电磁
  可通过 Simcenter STAR-CCM+ 对涉及电磁现象的工程应用进行建模。例如，可根据经典电磁理论对电动机、电动开关和变压器等应用进行建模。
- 电化学
  电化学是对由于施加电荷或边界处导体（如金属）与电解质之间的电势差而发生的化学反应进行的研究。Simcenter STAR-CCM+ 提供可用于模拟电池、腐蚀、蚀刻和其他电化学反应的模型。
- Electric Circuits
  Electrical circuits are conducting loops of interconnected electrical components, such as batteries, power sources, resistors, and inductors.
- 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。
- 电池
  可以使用直接在 Simcenter STAR-CCM+ 或在外部软件包 Simcenter Battery Design Studio 中定义的电池电芯和电池循环过程在 Simcenter STAR-CCM+ 中模拟电池。
- Casting
  Casting simulations are performed using transient multiphase simulations using the VOF model with solidification. Conjugate heat transfer is applied between the solidifying melt and the solid mold.
- 区域源
  本节提供有关如何将区域源用于某些常见问题的一些准则。
- 单元质量校正
  网格单元质量校正模型可帮助获取有关低质量网格的求解。此模型使用一组预定义的条件（如超过特定阈值的偏斜角）标识低质量网格单元。标记这些网格单元及其相邻网格单元后，将修改这些网格单元中的计算梯度，以提高求解的稳定性。
- Simcenter STAR-CCM+ 应用准则
  此部分文档提供了有关将 Simcenter STAR-CCM+ 模型应用于具体应用的准则。
- 通用求解器参考
  在 Simcenter STAR-CCM+ 中，求解器在模拟运行期间计算求解。

伴随拓扑优化的常规工作流

在 Simcenter STAR-CCM+ 中，基于伴随的拓扑优化通过拓扑优化模型激活，这需要耦合流体模型和伴随模型。以下步骤概述了推荐的工作流。

有关可为拓扑优化模型绘制的场函数的列表，请参考：

拓扑优化场函数。