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                  SimcenterSTAR-CCM-

                  Simcenter STAR-CCM-


                  1.2 STAR CCM+


                  Simcenter STAR-CCM+ 是一個完整的多物理場解決方案,可對真實條件下工作的產品和設計進行仿真。其獨特之處在于,Simcenter STAR-CCM+ 給每位工程師的仿真工具包帶來了自動化設計探索和優化,讓其可以高效地探索整個設計空間,而不是將注意力集中在單點設計場景上。使用 Simcenter STAR-CCM+ 引導用戶的設計流程,從中獲得的額外見解最終將會打造出遠超客戶期望且更加富有創新性的產品。

                  STAR-CCM+軟件是一個完整的工程分析軟件,模塊功能涵蓋整個仿真分析的各個階段:

                  l?? 幾何導入或創建

                  l?? 網格生成

                  l?? 方程組解算器

                  l?? 仿真結果后處理和報告

                  l?? 設計探索工作流程的自動化

                  l?? 與其他CAE軟件協同仿真

                  1.2.1 前處理

                  1.2.1.1幾何導入

                  STAR-CCM+可以通過內嵌的CAD客戶端導入完整的第三方專有格式CAD模型,且無需安裝對應的CAD軟件包,即可以從 Simcenter STAR-CCM+ 內“抽取”這些數據,而不是從 CAD 軟件包“推送”模型。STAR-CCM+可以導入的幾何文件類型如下:

                  l? Native formats:CATIA V4 and V5, Siemens NX, SolidWorks,

                  Autodesk Inventor, PTC Creo, Rhino 3D, and Solid Edge

                  l? Neutral formats: IGES, STEP, Parasolid, IDF, and JTOpen

                  l? Triangulated formats: STL, CATIA graphics .cgr9, pro-STAR .dbs/.inp

                  Nastran and Patran shells .nas & .pat, Medina .bif10,FELISA .fro, VDA-FS11

                  l? PLM formats: 3DXML12, PLMXML

                  使用中立格式不需要額外的license,而使用原始格式導入幾何則需要與CAD軟件對應的Reader license,因為導入幾何的程序為第三方產品。導入的幾何可以保留表面、特征線以及零部件的名稱。

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                  1.2.1.2 CAD Client

                  STAR-CCM+提供了與主流建模軟件的定制開發接口,使用CAD Client可以完成幾何的雙向傳輸,即在CAD軟件中更新設計,STAR-CCM+中模型也會隨之更改;同時支持在 Simcenter STAR-CCM+ 中進行設計更改,CAD 將隨即更新。通過CAD Client可以實現STAR-CCM+與建模軟件的實時通信及模型傳遞,可以大幅度提高幾何處理及優化設計的處理效率?,F在支持雙向連接的CAD軟件有CATIA V5, Siemens NX, PTC Creo, and Autodesk Inventor。

                  1.2.1.3幾何創建

                  STAR-CCM+?3D-CAD 建模器是基于 Siemens Parasolid kernel 且基于參數化特征的環境,完美支持Windows和Linux系統,包含功能有:

                  l? 創建參數化實體和片體的所有操作:草圖、拉伸、旋轉、掃掠、壓印等

                  l? 體操作:陣列、移動、布爾運算和壓印

                  l? 自由曲面造型:帶邊緣約束的U-V網格變形

                  l? 導入和編輯2D或3D曲線

                  l? 去特征和間隙縫合工具

                  l? 旋轉機械葉片自動切片工具

                  l? 自動移除與仿真無關的微小體或面

                  l? 流體域抽取功能

                  1.2.1.4表面修復及表面網格

                  直接導入的CAD數據通常不能直接用于流體解析計算。一般情況下只導入了固體區域,需要抽取流體域。對于流體域可能存在較多的幾何細節,這些細節對分析結果影響不大,大多數情況下可以簡化處理;如果不簡化這些細節,流體網格數量會成倍增加,增加計算量的同時亦不利于結果收斂。流體計算域表面必須是封閉的且沒有多重邊,可以通過表面修復達到這一要求。此外,導入的幾何表面必須被分割或合并,以便施加正確的邊界條件。

                  對于簡單或者少數幾何問題,使用手動修復工具即可;對于復雜或者質量比較差的幾何,可以使用表面包面功能;對于表面三角化網格質量差的情況,可以使用網格重構功能。

                  手工修復表面

                  手工修復表面功能主要處理自由邊和相交表面問題,對于特殊的面可使用手動進行分層壓印,或者對表面進行分割和合并以創建需要的邊界。

                  自動修復表面

                  自動修復表面功能主要應用于穿透面、質量差的面和節點較近產生的錯誤,當然這些問題也可以手動修復。

                  包面

                  在工業級別的CFD應用中,前處理的網格生成部分往往占據了整個項目工作的大多數人工時間,而其中又以表面處理部分為甚??梢哉f表面處理常常是CFD應用中的一個瓶頸,對一個復雜形體的表面處理往往耗費大量的時間,可能花費數周甚至幾個月時間,同時也需要大量的人工干涉過程。針對該問題西迪安科公司研發出了包面技術,可以自動地將復雜幾何形體處理成完全拓撲封閉的、無任何泄漏的表面,以生成計算域的體網格。使用STAR CCM+處理2500萬網格僅需1~2天,而使用其他同類軟件可能需要數周時間。

                  表面包面是一種對原始CAD表面的擬合逼近技術,能夠自動地封閉計算域的拓撲表面,修復CAD導入表面的穿刺、干涉、重疊、縫隙、小漏洞等錯誤,而手工修復上述問題需要大量的時間。

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                  表面網格重構

                  表面重構用于包面的網格或者CAD導入的幾何表面三角化網格,是在現有的表面三角化網格基礎上進行重構、改善和優化表面網格,這一過程總是在體網格生成前完成。表面重構可以全局設置,亦可以針對某一邊界/表面。

                  面網格的質量將直接影響體網格的質量,表面網格準備越充分,體網格質量越好。在生成體網格之前要使用修復工具檢查表面網格的質量。

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                  1.2.1.5體網格劃分

                  STAR-CCM+提供強大的體網格劃分功能,可分為兩大類。

                  一般的目標網格,包括切割體網格、多面體網格、四面體網格。

                  l?? 四面體網格:基于得朗奈基礎理論生成網格,將網格點不斷迭代計算插入到求解域中。這種方法生成的網格數量龐大,收斂慢,但具有很強的幾何適應性。

                  l?? 多面體網格:基于二元化方案,在四面體網格下自動創建的,生成的網格一般平均下來包含14個面網格。多面體網格比四面體網格計算精準,收斂快,幾何適應性良好,且在不同區域中的交界面上形成共形的網格,廣泛應用于工業仿真領域。

                  l?? 切割體網格:利用模版網格對流體域進行切割,創建切割體網格。切割體網格比多面體網格需求的內存少,但在不同區域的交界面上不能提供共形網格。

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                  特殊網格(2.5D),包括拉伸體模型、棱柱層網格、薄體網格、廣義柱體網格、貼體網格以及直接劃分網格。在網格技術中2.5D網格是一個綜合的定義,實際是按照創建的特定幾何的2D網格在生成3D網格時有一些簡化,比如按照預定方向拉伸、按局部指定方向拉伸、沿3D曲線軸掃略等。

                  l?? 棱柱層網格:僅從Wall邊界上生成的棱柱網格,用于湍流計算和近避面熱傳遞,其厚度、層數和分布取決于湍流模型的選取。STAR-CCM+在生成核心網格前首先按照定義的厚度生成邊界層網格,生成核心網格后,subsurface layer從表面投影到wall,最后生成棱柱層。

                  l?? 拉伸模型:拉伸模型允許從任何邊界進行拉伸,增加體網格。一般應用于出口邊界,可以很好的解決回流問題,有利于收斂。

                  l?? 薄體網格:本質是生成棱柱網格,用于體積較薄的區域(例如固體邊界、隔離罩等)。

                  l?? 廣義柱體網格:本質上是按照流動方向生成拉伸網格,使得解決特定幾何問題更加高效。

                  l?? 貼體網格:從表面拉伸成體網格使得薄體網格得到更加統一的網格,本質上看與棱柱層網格設置相同。

                  l?? 直接劃分網格:用一個現存的網格或者一個patch mesh進行拉伸/掃略,對一定范圍內的CAD幾何模型生成結構化網格。

                  STAR-CCM+允許用戶通過體積控制對一個區域內的網格進行加密或者降低網格密度。

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                  1.2.1.6衡量體網格質量

                  對于STAR-CCM+生成的體網格,有以下衡量標準:

                  l?? Face Validity—相對于重心的面法線的面加權測量。較好質量的單元,面的法線總是穿過單元的重心;通常大于1,值低于1代表單元周圍的面沒有指向重心(存在凹面),值低于0.5意味著存在負體積。

                  l?? Cell Quality—指向體網格的重心梯度。一個單元的質量為1,這個單元是完美的單元(例如正六面體和正四面體)。如果單元質量接近于零,可以說這個單元你已經崩潰了。根據物理模型選擇,網格質量不低于1.0e-6對于計算來說應該是沒有問題的,但是建議單元質量大于1e-3。

                  l?? Volume Change—描述一個單元與鄰近最大的一個單元的體積比。如果值為1,表示該單元與鄰近單元等高。例如一個單元體積相對于鄰近單元減小,那么體積改變衡量標準則用于標記網格。在單元之間存在較大的梯度變化則會影響求解穩定性。單元體積改變小于1e-3則需要進行檢查。

                  1.2.2求解器和物理模型

                  1.2.2.1支持無限核計算的求解器

                  STAR-CCM+是一個用戶友好且強大的多物理量框架工具集。作為一款通用CFD軟件,采用最新IT技術,解算器可以求解流體力學、結構應力、粒子流動、聲場以及電磁場等方面問題。使用C++編寫核心算法,支持在Linux和Windows下運行。

                  STAR-CCM+支持超大規模無限核并行計算,首次實現了10億網格的超大規模并行計算。

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                  1.2.2.2?豐富的物理模型

                  STAR-CCM+提供了豐富的物理模型,可以覆蓋航空航天、汽車、船舶、能源等行業的主要應用,如機翼高升力設計、防冰/結冰設計、燃油動力系統設計、汽車外流場計算、汽車機艙熱管理、乘員艙舒適性分析、螺旋槳空泡分析、工業用氣體燃燒分析、透平葉片冷卻分析等。以下列舉部分物理模型:

                  l?? 穩態/非穩態

                  –1階隱式解法, 2階隱式解法

                  l?? 不可壓縮流/可壓縮流

                  –分離解法(segregated solver)

                  –耦合解法(coupled solver)

                  l?? 無粘流/ 層流/湍流/ 轉捩

                  –k-ε系(Realizable, Standard(線性,非線性2次/3次), AKN, V2F)

                  –k-ω系(Standard, SST, BSL)

                  –Spalart-Allmaras

                  –RSM(線性Pressure-Strain, 非線性2次Pressure-Strain )

                  –DES(Spalart-Allmaras, k-ω SST)

                  –LES(Smagorinsky, WALE)

                  –近壁面處理(標準壁面函數,非平衡壁面函數,低雷諾數模型,混合壁面函數)

                  –層流湍流轉捩模型(γ-Reθ模型by Langtry-Menter)

                  l?? 非牛頓流體

                  l?? 多孔介質

                  –多孔介質區域

                  –多孔介質擋板(baffle)

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                  l?? 熱耦合

                  –流體熱傳導

                  –固體熱傳導(等方性/非等方性)

                  –固體-流體之間的熱傳遞

                  –固體發熱

                  –浮升力(考慮重力)

                  –輻射(角系數計算,S2S法, DOM法)

                  –對應于多波段(S2S法,DOM法)

                  –氣體輻射

                  –太陽輻射

                  l?? 多相流:拉格朗日多相流

                  –熱傳遞,蒸發/凝結

                  –阻力,湍流擴散,壁面沖擊(粘附,反彈)

                  –侵蝕模型

                  l?? 多相流:歐拉多相流

                  –相間曳力

                  –離散相粒徑

                  l?? 多相流:自由表面流

                  –考慮可壓縮性,表面張力,接觸角

                  –熱傳遞(包含固體熱耦合),沸騰

                  l?? 氣蝕模型

                  –Rayleigh-Plasset模型

                  l?? 燃燒及化學反應

                  –各種EBU模型

                  –PPDF模型

                  ? Single Fuel,Multi Fuel

                  –火焰傳播模型

                  ? CFM模型

                  –Complex Chemistry (STAR-CCM+/DARS-CFD)

                  ? 氣相反應,表面反應

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                  l?? 排放

                  –NOx模型(flamelet模型)

                  l?? 移動邊界

                  –滑移網格

                  –Dynamic Fluid/Body Interaction (DFBI) ?6自由度的剛體運動

                  l?? 旋轉機械解析功能

                  –諧波平衡分析方法(Harmonic Balance Method)

                  –滑移網格

                  –多重參考坐標系(MRF)系隱式解法

                  –混合平面隱式解法

                  –風扇動量源模型

                  l?? 流體噪音

                  –流體/噪音耦合解析(Virtual.Lab& ACTRAN)

                  l?? 凝固和融化

                  –自由表面耦合解析

                  l?? 薄膜(Thin film)模型

                  –除霜和除霧模擬

                  l?? 應力解析

                  –有限體積法的靜態分析功能(等方彈性體)

                  –假定微小形變

                  –和流體分析同時計算

                  l?? 火災、煙霧擴散分析向導(Fire and Smoke Wizard)

                  l?? 熱舒適性分析向導(Thermal Comfort Wizard)

                  1.2.3后處理

                  STAR-CCM+不需要其他軟件進行數據格式的轉化,提供模擬過程中實時的信息反饋,可實時監測求解過程中的物理量變化,也可在計算完成后進行后處理。

                  STAR-CCM+提供了局部坐標系功能和場函數功能,方便客戶快速和方便的定義速度和方向矢量;此外,軟件還提供了預設的標量、矢量場函數以及為用戶定義的場函數。STAR-CCM+可以通過報告和監視器、衍生體、x-y繪圖等方式查看計算結果。

                  1.2.3.1報告和監視器

                  報告顯示當前模擬或CPU數據的計算摘要,軟件提供了三種顯示方式。

                  l?? 系統報告:提供系統性能及內存使用的相關信息,方便用戶判斷計算機使用情況,及時做出調整。

                  l?? 統計報告:使用統計函數對模擬數據進行處理,是最常用的報告形式,可以計算通量、力、力矩、平均值以及積分等。

                  l?? 特殊報告:提供特定物理模型的相關信息,包括諧波平衡,DFBI,反應流和固體力學的報告。

                  監視器顯示并保存在計算過程中從模擬結果取得的摘要信息。

                  l?? 基于報告的監視器:隨著計算迭代過程,提供最新迭代步下報告定義值。

                  l?? 基于場的監視器:基于部分或整個計算域收集數據,如場總和、場協變、場方差等。

                  報告和監視器的組合運用可以很好的監測收斂進度,用戶可以根據監測數據更改松弛因子等參數,提高收斂速度。

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                  1.2.3.2繪圖

                  繪圖功能可以圖形化顯示來自軟件計算結果的數據或者導入的表格數據,外觀和布局可以根據用戶需求定制。

                  l?? 監視器繪圖:對于基于報告的監視器,可以在計算過程中實時顯示報告值曲線,一目了然。

                  l?? XY繪圖:二維圖形,可以顯示計算結果或者表格中的標量值,每迭代步或者時間步實時更新。

                  l?? 直方圖:顯示數據分布的二維條形圖

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                  1.2.3.3?可視化場景

                  計算結果的可視化是通過幾何和相關的“顯示器”來呈現的,選擇不同的“顯示器”類型可以展示不同計算結果。常見的顯示器類型有幾何、網格、矢量、標量。對于這些可視化的場景,可以控制背景顏色/背景圖、光源位置、環境映射、測量方格、注釋、結構體透明化顯示等等,其中光線追蹤給用戶提供了真實的場景呈現。

                  STAR-CCM+中可視化場景可以顯示:

                  l?? 標量場

                  l?? 2D或3D矢量場

                  l?? 已預設好的或者自定義的圖例

                  l?? 流線及動畫

                  l?? 向量場的線積分卷積

                  l?? 切面圖

                  l?? 等值線圖

                  l?? 顯示DFBI體的運動、受力

                  l?? 任意線、點、threshold面或者探測點

                  l?? 標量和向量的扭曲,以顯示夸張的變形

                  瞬態計算中可以保留歷史數據創建動畫,穩態或者瞬態生成的動畫都可以輸出到視頻文件(AVI格式)。此外,STAR-CCM+可以將計算結果導出到多種第三方數據處理軟件,具備及其豐富的數據輸出接口。

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                  1.2.3.4 STAR-CCM+ VR

                  STAR-CCM+ VR允許用戶在虛擬現實環境中探索STAR-CCM+仿真解決方案。用戶可以站在一個解決方案中檢查流動、能量等變量如何與數字原型交互。

                  STAR-CCM+ 中VR功能是與HTC Vive合作開發的。HTC Vive是一款虛擬現實頭戴式顯示設備,它使用房間比例尺跟蹤技術來捕捉你在三維空間中的動作。除了基站和頭戴設備,HTC Vive還提供了兩個無線控制器,在虛擬現實環境中充當雙手。這些控制器提供多種輸入方法,包括觸發器、按鈕和跟蹤板。當激活時,STAR-CCM+ VR會在模型下方設置一個地板,在模型上方設置一個天花板。顯示器中顯示的地板與你腳下的真實地板相對應——當你設置HTC Vive時,你要校準地板的位置。天花板固定在你頭頂上方一定的距離。

                  STAR-CCM+ VR功能包括:

                  l?? 獨立模式:允許用戶單獨查看STAR-CCM+輸出的 “.sce”文件內容

                  l?? 連接模式:在運行的STAR-CCM+服務器上與場景交互

                  l?? 粒子跟蹤器——將粒子釋放到流場中,并實時觀察它們的運動(需要將重采樣的體塊應用到矢量顯示器上的場景中)

                  l?? 剪切平面——刪除表面,以便查看后面的幾何圖形

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                  1.2.4設計探索和優化

                  Design Manager在STAR-CCM+中提供了一種自動化的方法來運行設計探索研究,包括性能評估和設計優化。

                  大多數工程產品的開發和改進都是對影響產品性能的參數進行系統分析的結果。產品的性能可以與其主要的操作特性相關聯,并涉及可測量的結果量,例如重量、大小或阻力。為了提高產品的性能,識別關鍵參數并調整它們的值的過程通常需要大量的設計迭代。這種探索的每次迭代都會使產品變得更好或更差。然而關于如何在無數潛在的設計中導航到某個最終目標,每個設計都提供了有價值的信息。激發這種設計空間探索的問題有:

                  l?? 怎樣才能通過改變側鏡的位置來減少汽車的阻力?

                  l?? 彎曲半徑對管道上的壓降有什么影響?

                  l?? 我怎樣才能減少電子裝置內散熱器的質量,同時提高冷卻速度?

                  在設計探索過程中,主要分為兩大類:性能評估和設計優化。性能評估通過預定義的一組條件運行產品,以了解關鍵參數對產品性能的影響。在設計優化中,優化算法自動確定輸入條件,針對特定的目標對產品進行改進。由于這兩個類別提供了不同種類的信息,一個建設性且有效的設計探索過程通常是兩者的結合。

                  在STAR-CCM+中,Design Manager允許自動化產品的設計探索過程。為了進行性能評估和設計優化研究,Design Manager在STAR-CCM+中控制各自仿真的執行。下圖概述了STAR-CCM+的設計探索過程:

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                  STAR-CCM+中每次設計探索的起點都是一個模擬文件,該文件為設計探索提供必要的輸入和輸出,在這個參考模擬文件中應該定義:

                  l?? 允許Design Manager修改的設計參數和全局參數。

                  l?? 提取仿真結果并定義工程目標和約束條件的報告。

                  l?? 用于設計分析的場景和繪圖。

                  目前,可供選擇的設計研究類別如下:

                  l?? 性能評估:手工分析、參數掃描

                  l?? 設計優化:單目標優化、多目標優化(Pareto)、DOE優化、隨機分析

                  Design Manager支持在一個Design Manager項目中進行多個設計研究。此外,Design Manager支持自動化完成一系列的設計研究,其中一個研究的結果決定下一個研究的設計空間。Design Manager提供各種設置來控制設計研究的進程和計算資源。設計研究可以在本地機器或高性能集群上順序或并發地、串行或并行地運行其設計。對于集群運行,Design Manager提供了預分配模式,該模式在隊列中為研究保留所需的資源,設計管理器控制設計研究工作在保留資源內進行。

                  當運行特定的設計時,Design Manager以批處理模式啟動STAR-CCM+,并修改相關的仿真設置。在運行期間,Design Manager檢查運行的設計的狀態,當設計完成時,記錄輸出。在運行后,各種后處理功能允許分析設計研究的結果。

                  1.2.5與CAE軟件交互

                  STAR-CCM+可以將其他計算機輔助工程(CAE)工具集成到仿真中?;镜膶牒蛯С龉δ茉试S用戶使用外部幾何、表面和體網格數據,以及從STAR-CCM+模擬中導出此類數據。因此,用戶可以將許多外部文件格式和CAE模型合并到模擬中。

                  一個更先進的集成CAE軟件與STAR-CCM+的方式就是耦合。該功能允許用戶使用STAR-CCM+獲取解決方案的一部分,并使用其他CAE軟件獲取解決方案的另一部分。通過將兩個CAE軟件耦合在一起,在仿真過程中以指定的時間間隔在兩個CAE軟件之間傳遞解數據,可以得到整個模型的解。

                  STAR-CCM+提供了兩種耦合方法:基于文件的耦合(通過存儲在計算機磁盤中的文件在CAE軟件之間交換數據)和聯合仿真(在同時運行STAR-CCM+仿真和其他CAE軟件仿真時自動交換數據)。

                  基于文件的耦合非常通用,可以用于大多數類型的耦合模擬。盡管該過程可以通過腳本自動執行,但本質上是通過STAR-CCM+接口手動執行耦合步驟。協同仿真允許STAR-CCM+與以下軟件進行數據交換:

                  l?? STAR-CCM+(兩個STAR-CCM+仿真的協同仿真)

                  l?? Simcenter Amesim

                  l?? 有限元分析軟件(Abaqus)

                  l?? GT-SUITE

                  l?? WAVE

                  l?? RELAP

                  l?? Reacting Channel (DARS中的一維塞流反應器)

                  l?? Isight

                  對于使用一維軟件的聯合仿真(即使用GT-SUITE、Simcenter Amesim、WAVE和RELAP),如果界面主要是一維的,耦合效果最好,因為這將減少由于平均而產生的誤差。每種耦合技術的可用方法取決于與STAR-CCM+耦合的第三方軟件。


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