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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。
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。
流体体积 (VOF) 多相
流体体积 (VOF) 多相模型是一种简单的多相模型。它适用于模拟数值网格（能够求解混合物的相之间的交界面）上的多个不混溶流体流。
融化与凝固建模
融化是将物质状态从固体变为液体的过程。将固体物质加热到融化温度时，会发生融化。相反的过程称为凝固。
两相区渗透率模型参考
当固相体积分数增长到大于临界固相体积分数时，会形成枝晶渗透的两相区。两相区中的流体阻力建模为各向同性多孔介质。

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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。
- 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。
  - 多相框架
    在数学方面，在 Simcenter STAR-CCM+ 的多相模型公式中有两个主要框架，即欧拉和拉格朗日建模策略。
  - 多相模拟概念
    本节介绍在使用 Simcenter STAR-CCM+ 多相模型时会遇到的关键概念。
  - Modeling Multiphase Flows
    Simcenter STAR-CCM+ supports several types of multiphase models, each with their own workflow. Use this section to help identify the choice of models that are appropriate for the type of multiphase analysis that you intend to simulate.
  - 定义欧拉相
    Simcenter STAR-CCM+ 中的欧拉相表示不同的物理物质，即相材料，该相在欧拉架构中建模。两种材料构成两个不同的欧拉相。欧拉相的定义包括一组适用于相材料的模型和相关的材料属性。
  - 定义相间相互作用
    相间相互作用是一个定义所选模型用来预测多相流体模拟中的某个相如何影响另一个相的对象。对于每个可能的明显耦合，均可定义相间相互作用。
  - 离散元方法 (DEM)
    离散元方法 (DEM) 是一种工程数值方法，用来模拟大量相互作用的离散对象（通常是固体颗粒）如何运动。尽管 DEM 建模需要强大的计算能力，但它提供了其他方法无法实现的细节分辨率。在 Simcenter STAR-CCM+ 中，DEM 可应用于带体网格或不带体网格的区域。
  - 离散多相流 (DMP)
    离散多相 (DMP) 模型以欧拉方式模拟离散相。离散多相流模型将拉格朗日多相流 (LMP) 模型和欧拉多相流 (EMP) 模型的多个方面结合使用。
  - 欧拉多相流 (EMP)
    Simcenter STAR-CCM+ 中的欧拉多相流 (EMP) 模型基于其中每个不同的相都具有各自的守恒方程组的欧拉-欧拉公式。
  - 液膜
    固体边界上存在薄液膜的问题在工程实践中很常见。示例包括汽车发动机、燃气轮机、喷雾冷却系统和喷墨打印机的内表面上的液膜。
  - 拉格朗日多相流 (LMP)
    许多流动过程都涉及气体或液体连续相导致的固体颗粒、液滴或气泡（称为离散相）的传输。
  - 混合多相流 (MMP)
    在混合多相流 (MMP) 模型中，质量、动量和能量均视为混合物物理量，而不是相物理量。Simcenter STAR-CCM+ 将混合物的输运方程作为一个整体进行求解，而非针对每个相单独进行求解。相比单独模拟每个相的模型，此模型的计算效率更高。
  - Resolved Transition
    Simcenter STAR-CCM+ provides the Resolved Transition model as a phase interaction model, which lets you capture the breakup of pools of liquid to form droplets emerging/stripping from a free surface or small bubbles stripped from a large bubble. This model is meant to be used as part of a hybrid multiphase approach where the Volume of Fluid (VOF) model or Mixture Multiphase (MMP) model is used alongside the Lagrangian Multiphase (LMP) model.
  - Smoothed-Particle Hydrodynamics (SPH)
    Smoothed-Particle Hydrodynamics (SPH) is a numerical method that overcomes the volume meshing-related constraints occurring with mesh-based models. SPH represents the fluid as a collection of particles with material properties that move with the fluid, making it well-suited for applications with highly dynamic free-surface flows.
  - 两相热力学平衡
    两相热力学平衡是仅限对两个相建模的多相混合法。Simcenter STAR-CCM+ 通过该模型将质量、动量和能量作为混合物量而非相量进行求解。因此，通过假设悬浮液是均匀的单相系统来减少计算量。
  - 流体体积 (VOF) 多相
    流体体积 (VOF) 多相模型是一种简单的多相模型。它适用于模拟数值网格（能够求解混合物的相之间的交界面）上的多个不混溶流体流。
    - 流体体积流建模
      当每个相构成一个较大的结构，并且相间的总接触面积相对较小时，将使用流体体积 (VOF) 多相流模型。此模型用于求解涉及不混溶流体混合物、自由表面和相接触时间的问题。
    - Volume Of Fluid (VOF) Multiphase Model Reference
      Volume Of Fluid (VOF) is a multiphase model that is suited to simulating flows of several immiscible fluids on numerical grids capable of resolving the interface between the phases of the mixture.
    - 分离 VOF 求解器参考
      分离 VOF 求解器控制相体积分数的求解更新。更具体而言，它求解流体中存在的每个相的离散化体积分数守恒方程。
    - 分离多相温度模型参考
      分离多相温度模型用于控制模拟中的热效应。
    - 设置自由表面网格细化
      自由表面网格细化是为 VOF 多相流模拟设计的自适应网格细化 (AMR) 准则。自适应网格细化根据指定的准则对体网格中的网格单元进行细化或粗糙化，这意味着只能在模拟所需区域中使用精细网格。求解物理量将自动插值到适应网格中。
    - 替换 VOF 相
      在某些 VOF 模拟中，待解决的网格、时间步或其他数值问题会导致出现数值通风。使用 VOF 相替换模型，可通过在指定区域中将不需要的相（通常为气体）替换成相应的相（通常为液体），减少或消除数值通风。如适用，可以指定相替换中的最大体积分数。
    - 表面张力建模
      在相间相互作用中激活表面张力模型后，会在 VOF 模拟中包括表面张力效应。可以将每个相间相互作用的表面张力系数 $σ$ 指定为材料属性。还应指定每个壁面边界处的表面张力接触角。
    - 滑移速度模型
      相间相互作用中的相可以以不同的速度（可以为不同的幅值和不同的方向）移动。许多重要现象（例如，相分离）要求气相相对于液相运动。要对两个相之间的速度差建模，则使用滑移速度模型。
    - 体积分数重新初始化
      基于重新初始化体积分数场的用户自定义准则，体积分数重新初始化模型可用于通过锐化或扩散交界面来按需修改自由表面。
    - 接触时间模型参考
      接触时间相间相互作用模型可估计 VOF 相彼此接触的时间长度。典型应用是估计氧化等表面反应的概率。传输物理量是接触面积和接触时间的乘积。
    - 交界面湍流阻尼模型参考
      在具有较高相间相对速度的液-气交界面处，自由面附近边界层中的大梯度可能会导致明显的湍流波动。交界面湍流阻尼模型在 VOF 多相模拟中考虑此情况。此模型适用于 K-Epsilon、K-Omega 和雷诺应力传输湍流。
    - 使用交界面动量耗散模型
      交界面动量耗散模型可在自由表面附近添加额外的动量耗散，以耗散附着流。动量耗散与速度梯度和交界面人工粘度成比例。
    - 质量错误率模型参考
      质量错误率模型触发 Relative Mass Error Rate(相对质量错误率) 场函数的创建。可以使用此场函数创建内部迭代的停止条件。
    - 质量失衡校正模型参考
      质量失衡校正模型在 VOF 模拟中强制实施特定欧拉相的质量守恒。在 VOF 模拟中，可以在一个（最多一个）欧拉相中激活此模型。
    - 壁面孔隙率
      壁面孔隙率模型用于定义 VOF 多相模拟中的特定相多孔边界。即，该模型允许属于单组分相的材料穿过选定的壁面边界。
    - 蒸发和冷凝建模
      本节介绍的特定相变类型包括蒸发和冷凝。
    - 沸腾建模
      沸腾是液体的快速汽化。当液体加热到沸点（液体的饱和温度）时，通常发生沸腾。 $T_{s a t}$ 其饱和蒸气压会变为等于或大于周围液体的压力。
    - VOF 与辐射建模
      可以在辐射热传递效应很显著的凝固、沸腾、蒸发和融化等多个场合（例如炉中玻璃融化的情况）下使用辐射和 VOF 模型。
    - 气溶解建模
      本节介绍有关气溶解的特定相变类型。
    - 空化建模
      当液体中特定位置的静压力低于液体的饱和蒸气压时，液体会经历名为空化的相变。此相变产生由液体蒸气填充的空化气泡。
    - 融化与凝固建模
      融化是将物质状态从固体变为液体的过程。将固体物质加热到融化温度时，会发生融化。相反的过程称为凝固。
      - 融化与凝固工作流
        可以模拟纯物质和合金的融化与凝固过程。
      - 融化-凝固模型参考
        融化-凝固模型模拟纯物质和合金的融化与凝固过程。可以在模拟中包括可选流体阻力模型，当固相体积分数超过指定的值时停止流体。
      - 浆料粘度模型参考
        固体分数值低于临界固相体积分数时，混合物视为浆料，其中固体颗粒悬浮在熔体中，并且两者之间几乎没有相互作用。将使用浆料粘度模型将它们对流体的效应建模为额外的粘度。
      - 两相区渗透率模型参考
        当固相体积分数增长到大于临界固相体积分数时，会形成枝晶渗透的两相区。两相区中的流体阻力建模为各向同性多孔介质。
      - 停止流体
        在希望阻止所有流动（不允许缓慢的蠕流））或者固体需要承受高压梯度时，可以使用融化-凝固流体停止功能。
      - 设置两相区渗透率模型的相对速度场
        通常，两相区渗透率模型会应用动量源项来停止固化液体的流动。停止流动的方法为，将相对于基准坐标系的对流速度减小为零。
    - VOF 准则
      本节介绍适用于流体体积 (VOF) 模拟的设置和分析过程。
  - VOF 波建模
    VOF 波模型用于模拟轻流体和重流体之间的交界面上的表面重力波。此模型通常与 6 自由度运动模型一起用于海洋应用。
- 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。

两相区渗透率模型参考

当固相体积分数增长到大于临界固相体积分数时，会形成枝晶渗透的两相区。两相区中的流体阻力建模为各向同性多孔介质。

表 1. 两相区渗透率模型参考
理论	请参见两相区渗透率模型。
提供方式	[相名称] > 模型 > 可选模型
节点路径示例	[相名称] > 模型 > 两相区渗透率
要求	在欧拉相中激活融化-凝固模型。
属性	无。
激活	物理模型	两相区平均渗透率（在物理连续体中）请参见两相区平均渗透率属性。
	材料	两相区渗透率请参见材料属性。
	场函数	请参见场函数。

两相区平均渗透率属性

当在相中激活两相区渗透率模型时，两相区平均渗透率模型节点显示在父物理连续体中。发生融化与凝固的每个相对于流体阻力的影响是计算网格单元的体积加权值。这些影响随后添加到动量方程的流体阻力源项。

使用 Forchheimer 项: 添加 Forchheimer 项对 Carman-Kozeny 两相区模型的流体阻力的影响。
请参见两相区渗透率模型中的 Eqn. (2718)。
Ergun 系数: 设置 Eqn. (2718) 中的 Ergun 系数。默认值为 0.55。
最大多孔粘性阻力: 设置最大阻力等级。在相应物理连续体分配到的所有区域中，此设置仅适用于固相体积分数大于零的网格单元。
两相区渗透率亚松弛因子: 每次迭代时，控制新计算的求解取代旧求解的范围。默认值为 0.7。

材料属性

相具有以下材料属性：

两相区渗透率

可用方法有场函数和 Carman-Kozeny。

请参见两相区渗透率模型。

Carman-Kozeny 方法具有以下属性：

使用切换函数
将切换函数用于 Metzner 浆料粘度模型和 Carman-Kozeny 两相区模型的组合使用。

请参见 Metzner 浆料粘度和 Carman-Kozeny 两相区渗透率模型的切换函数。
切换函数：临界固体分数
临界固相体积分数 ${α *}_{c r}$ （请参见 Eqn. (2720)）。默认值为 0.27（对于铝合金 A201）。
二次枝晶间距
二次枝晶间距用于 Carman-Kozeny 形状因子的计算。
切换函数：常数 s
无量纲常数 $s$ （请参见 Eqn. (2720)）。默认值为 100，因为对于 80 和 120 之间的值，形状不太敏感。
Carman-Kozeny 形状因子 c
形状因子 $c_{s}$ 是枝晶尺寸（通常为二次枝晶间距 $d$ ）和形状常数 $c$ 的函数（请参见 Eqn. (2715)）。 $c$ 的默认值为 180。

混合物具有以下材料属性：

两相区渗透率: 对于具有不同相的模拟，一个网格单元的两相区渗透率充当整个混合物的体积加权平均值。

场函数

两相区平均渗透率: 混合物的体积加权两相区渗透率，由组分相的两相区渗透率计算而得。
Average Mushy Zone Porous Viscous Resistance(两相区平均多孔粘性阻力): 混合物的动力粘度除以两相区平均渗透率。提供此场函数是因为流体阻力的效应比渗透率的效应更容易理解。
Mushy Zone Permeability of [phase]([相] 的两相区渗透率): 由特定相的部分凝固产生的枝晶网格对流体的阻碍而导致的渗透率。枝晶网格的效应建模为具有空间变化的属性的多孔介质。
两相区速度: 两相区渗透率模型的动量源项实施与两相区速度相等的流速。