STAR-CCM+基础培训教程分析

STAR-CCM+

基础培训教程(V

2.02.009)所属：CDAJ

CHINA目录Chap.1:STAR-CCM+简介Chap.2:STAR-CCM+网格功能Chap.3:STAR-CCM+计算设定Chap.4:STAR-CCM+后处理Chap.5:STAR-CCM+的工具（tools）Chap.6:一个简单的例子Chap.7:附录Chap1.STAR-CCM+简介STAR-CCM+是什么?STAR-CCM+求解问题的过程.STAR-CCM+的工作界面.现有的网格功能.现有的物理模型.1.1

STAR-CCM+是什么?STAR-CCM+由CD-adapco公司开发，是“下一代的CFD解决方案”强大的网格能力:从面网格（Surfacewrapper）到体网格。先进的物理模型:包括层流，湍流，多相流，气穴，辐射，燃烧，边界层转戾，高马赫流，共轭热传导等等，以及新的热交换器和风扇模型。多面体网格:较少的内存和更快的求解速度。强大的可视化::分析过程中的动态显示。可信赖的结果:STAR-CCM+solver的稳健性网格兼容性:STAR-CD,ICEM,GridGen,Gambit十亿以上的网格处理能力:诞生之初，STAR-CCM+就专门为处理大规模网格而设计。.STAR-CCM+

makes

the

Tour

de

France

less

of

a

Drag1.2

STAR-CCM+求解问题的过程输入模型准备网格选择物理模型设定边界条件设定初始条件运算后处理1.3

STAR-CCM+的工作界面STAR-CCM+的工作界面(workspace)如下:1.4网格功能(Version

2.02.009)和其他网格生成软件的协调性l可以输入来自以下网格:Ø

pro-STARØ

GridgenØ

FluentØ

GambitØ

STAR-CDØ

ICEMl可以输出到pro-STAR进行后处理面网格l

面网格工具:Ø

Surface

remesher

Ø

Surface

wrapper

Ø

Hole

fillerØ

Edge

zipperØ

特征线提取和编辑工具

体网格

l

3种体网格模型:Ø tetrahedralØ polyhedralØ trimmedl 边界层网格模型:prismlayerl 精细网格调节:Ø VolumesourcesØ 全局或局部参数设置网格演化lllllTransform–缩放,平移和旋转对边界（boundaries）和区域（regions）的分裂和合并创建,删除和融合交界面（interfaces）融合内部边界将3维网格转化为2维表面几何输入l

可以导入的面网格或几何:Ø

.dbs

-

pro-STAR

surface

databasemesh

fileØ

.inp

-

pro-STAR

cell/vertex

shell

input

fileØ

.nas

-

NASTRAN

shell

fileØ

.pat

-

PATRAN

shell

fileØ

.stl

-

Stereolithography

file1.5现有的物理模型(Version

2.02.009)流动和能量ØØØØØØØ无粘,层流,湍流。气体,液体,固体和多孔介质。共轭传热自由表面(VOF)空化(cavitation)辐射类型的热交换FAN性能曲线修正的动量源项。基本模型l

空间Ø

二维lØ

轴对称Ø

三维l时间Ø

稳态Ø

显式非稳态辐射Ø

Surface-to-surfaceØ

Discreteordinate湍流ØØØØØSpallart-AllmarasK-EpsilonK-Omega雷诺应力输运方程壁面处理(Lowy+,Highy+,All

y+)Ø

隐式非稳态Ø壁面距离(Exact,Approximate)l运动Ø

运动参照系模型#Ø边界层转戾（prescriptive

boundary-layer

transition）Ø

刚体运动模型燃烧ØØEddy

Break

Up

(EBU)Presumed

Probability

DensityFunction

(PPDF),

adiabatic

and

non-adiabaticChap2.STAR-CCM+网格功能面网格Ø

2.1.1

Surface

WrapperØ

2.1.2

Surface

RemesherØ

2.1.3特征线Ø

2.1.4修补工具（hole

filler,edge

zipper)体网格Ø

2.2.1

Polyhedral

mesherØ

2.2.2

Tetrahedral

mesherØ

2.2.3TrimmerØ

2.2.4

prsim

layer

mesher模型的演化界面的处理2.1.1

surface

wrapper在导入的CAD数据质量较差时,例如存在:洞和缝隙;错配的边;多重边(multipleedges);折叠尖角(sharpanglefolds);很差的三角形状(如needlescells);交叉(selfintersection);非流形拓扑结构(non-manifoldtopology)时,surfacewrapper可以用来提供一个封闭，流形，非交叉的表面。包括:封闭洞(holes),缝隙(gaps)和错配的面(mismatches);去掉双重面(doublesurfaces),除去不需要的内部几何特征;简化表面,除去不必要的细节;提供基于曲率(curvature),临近率(proximity)以及对独立表面的细化2.1.1.1

surface

wrapper的属性选项l

Surface

wrapper的属性有3个选项:Ø

Do

curvature

refinementØ

Do

gap

closureØ

Do

proximity

refinementl

缺省情况下,只有Docurvature

refinement打开curvaturerefinement,gap

closure,proximityrefinement在附录中有介绍2.1.1.2

surface

wrapper的全局(global)设定;##使用surfacewrapper时,有如下的全局控制参数:l

basesize;l

gap

closure

size;l

surface

curvature(#Pts/circle

);l

surface

proximity

(Search

Floor,Points

in

a

gap);l

surfacesize;l

wrapper

feature

angle;

andl

wrapper

scale

factor解释在区域(region)这一级,有三个选项来进一步控制包面效果,它们是:Ø

volume

of

interest

specification;Ø

contact

prevention;Ø

smallest

wrapping

volume其中体积指定(volume

of

interestspecification)有如下四个选项:Ø

external;Ø

largest

internal;Ø

seed

point;Ø

nth

largestLargest

internalexternalSeedpointNth

largest解释2.1.1.3

surface

wrapper区域(region)设有关区域Region和边界(boundary)的概念见附录定2.1.1.4

surface

wrapper边界(boundary)设定在边界(boundary)这一级,对每一个边界,有四个控制参数:l

custom

gap

closuresize;l

customsurfacecurvature;l

customsurfaceproximity;l

custom

surface

size解释2.1.2

surface

remesherl

surfaceremesher用来对已有的表面进行再次三角化,以便提高表面三角形质量,为生成体网格做准备.l

Remeshing的效果主要取决你设定的目标尺度,同时可以提供基于表面曲率(curvature),临近率(proximity)的细化.l

在每个边界(boundary),可以设定不同的目标尺度,进行局部控制.也可以取消remesher,以便保留原始网格.2.1.2.1

surface

remesher的属性选项l

Surface

remesher的属性有两个选项:Ø

Do

curvature

refinementØ

Do

proximity

refinementl

缺省情况下,两个选项都打开curvature

refinement,

proximity

refinement在附录中有介绍2.1.2.2

surface

remesher的全局(global)设定使用surfaceremesher时,有如下的全局控制参数:l

basesize;l

surfacecurvature(#Pts/circle

);l

surface

growth

rate;l

surfaceproximity(SearchFloor,

#

Points

in

a

gap);l

surfacesize解释2.1.2.3

surface

remesher边界

(boundary)设定l

在区域(region)这一级,

remesher没有控制选项.l

在边界(boundary)这一级,有如下四个控制参数:Ø

custom

surface

curvature;

Ø

custom

surface

proximity;

Ø

custom

surface

size;Ø

customize

surface

remeshing解释2.1.3特征线l

为了抓住想要的几何特征,得到高质量的网格(无论是面网格还是体网格),有必要定义特征线.所有定义为特征线的边(edge),将会在meshing过程中保留.l

此外,在进行表面修理时(例如补洞,缝合边),也需要事先定义特征线.2.1.3.1创建特征线STAR-CCM+里,可以创建下面五种特征线:

sharpedges–创建基于锐边角度值(Sharpedgeanglevalue)的特征线(缺省值为31度);

free

edges–将所有的自由边定义为特征线;

non-manifoldedges–将所有的非流形边定义为特征线;

patchperimeters–将patch的周围定义为特征线

boundaryperimeters–将边界的周围定义为特征线2.1.3.2增加特征线l

特征线可以按照如下方式手动添加2.1.3.3编辑特征线l

可以对特征线进行编辑(重新分组或删除)2.1.4.面的修补STAR-CCM+里可以利用特征线对表面进行修补.l

补洞(hole

filler)l

缝合边(edge

zipper)2.1.4.1补洞(hole

filler)2.1.4.2缝合边(zipping

edge)2.2体网格l

STAR-CCM+有三种体网格模型:Ø

tetrahedral

mesherØ

polyhedral

mesherØ

trimmerl

对以上3种网格模型,都可以同时使用prism

layermesher,以便在近壁区域产生棱柱状边界层网格.l

使用volume

source(包括长方体,球体,圆柱体,圆锥体)可以对网格密度进行控制l

当解析结果存在时,生成新的网格后,解析结果会自动映射到新的网格上.2.2.1polyhedral

meshl

使用polyhedral

mesher产生的网格如下:2.2.2

tetrahedral

meshl

使用tetrahedral

mesher产生的网格如下:2.2.3

Trimmed

meshl

使用trimmer产生的网格如下:2.2.4

prism

layer

mesh边界层网格有如下控制参量:l

边界层层数;l

边界层厚度;l

边界层分布(三种方法任选其一):Ø

stretchingfactor

Ø

near

wall

thicknessØ

thickness

ratioStretching

factor:相邻两层厚度之比Near

wall

thickness:最靠近壁面那一层的厚度

Thickness

ratio:最外层和最内层厚度之比2.3模型的演化三维网格转化二维网格针对区域(region)的演化Ø

2.3.2.1区域的缩放Ø

2.3.2.2区域的平移Ø

2.3.2.3区域的旋转Ø

2.3.2.4区域的合并Ø

2.3.2.5区域的分割针对边界(boundary)的演化Ø

2.3.3.1边界的合并Ø

2.3.3.2边界的融合Ø

2.3.3.3边界的分割Ø

2.3.3.4边界的投影2.3.1:三维网格转化二维l

导入三维网格后,任何位于Z=0平面的边界(boundary)都可以被抽取出来,然后作为二维网格来计算.2.3.2.1区域的缩放2.3.2.2区域的平移2.3.2.3区域的旋转2.3.2.4区域的合并2.3.2.5区域的分割l

通过连续性对区域进行分割2.3.2.5区域的分割(续):通过函数l

可以通过用户场函数来对区域进行分割,例如通

过Tools>Field

functions>new

function,建立名为User

Field

Function

1的用户函数:($$Centroid[0]

<

4)

?

0

:

1然后通过该函数对图示区域进行分割.2.3.3.1边界的合并2.3.3.2边界的融合2.3.3.3边界的分割有五种方法可以进行边界的分割:l

splitting

non-contiguousboundaries;l

splitting

boundaries

by

angle;l

splitting

by

function;l

splitting

by

patches;l

splitting

by

feature

curves2.3.3.4边界的投射l

有时为了创建交界面或是抽取二维网格,需要将一条起伏的边界投射到某一平面上,这时可以使用边界的投射功能2.4界面(interface)的处理界面(Interfaces)可以由现存的边界(boundary)创建:l

由两条边界创建一个界面l

将一条边界转化为界面界面可以用来:l

创建baffle或porousbaffles;l

创建周期性边界l

将两块同一类型或不同类型的区域连接起来.界面的类型见附录2.4.1由两条边界创建交界面l

选择两条需要定义为界面的边界,可以创建一个交界面.然后在Interfaces节点上会出现一个新的界面名称.在Interfaces下会出现一个新的节点.2.4.2将一条边界转化为交界面将一条边界转化为交界面时:l

这条边界(boundary)会自动生成一份拷贝;l

一个in-place类型的交界面会自动创建Chap.3

STAR-CCM+计算设定物理模型边界条件初始条件Solver参数监控(monitor)设置终止判据3.1物理模型空间二维,三维,轴对称时间稳态,显式非稳态,隐式非稳态运动静止,刚体运动,运动参照系材料气体,液体,固体,多组分气体,多组分液体,多相流(VOF,可以考虑空化)流动耦合求解,分离求解状态方程常密度,理想气体,多项式密度粘性格式无粘,层流,湍流辐射Surface-

to-

surface,Discrete

ordinate其他被动标量,重力,etc3.1物理模型(续)湍流模型K-EpsilonLien

Low-

ReAKN

Low-

ReRealizable

K-

ERealizable

2

-

layer

K-

EStandard

K-

EStandard

2

-

layer

K-

EK-OmegaBSL

K-

OmegaSST

K-

OmegaStandard

(

wilcox)

K-

Omega雷诺应力模型线性压力应变线性压力应变(2层)二次压力应变Spalart-Allmaras标准Spalart-Allmaras高雷诺数Spalart-Allmaras3.2边界条件STAR-CCM+使用如下的边界条件:l velocityinlet;l symmetryplane;l

wall;l

stagnation

inlet;l

pressure

outlet;l

mass

flow

inlet;

l

free-stream;

andl

flow-split

outlet.选择类型定义大小3.3初始条件初始条件可以通过如下方法设定:l 使用定值;l 使用场函数l 使用列表数据.此外,还可以对每个单独的区域设定进行定制。注:现在的版本不支持通过UserCode来定义初始条件3.3.1使用定值l 通常情况下,大多数初始条件均直接输入定值。3.3.2使用自定义场函数步骤:①

定义场函数②

选择该变量指定方式为FieldFunction③

选中已定义的场函数例如在VOF两相流计算中，指定空气的体积份数为:($$Position[0]>=-1)?1:03.3.3通过列表数据指定步骤:①

读入列表数据②

选择指定方式为Table(*)③

选中已读入的table数据1233.4

Solver参数l 在Solver节点,可以调整诸如松弛因子,Courant数之类的求解器参数3.5监控(monitor)设置STAR-CCM+可以提供两种监控:l 残差监控(residualmonitors)l 基于Report的监控(report-basedmonitors)3.5.1残差监控l 残差（residual)代表各守恒方程在控制单元的不满足程度。缺省情况下,在进行运算时残差监控（Monitors)和残差显示(plots)会自动创建。3.5.2基于报告(Report)的监控l

基于Report的监控可以用来监视我们感兴趣的变量（例如压力系数）在迭代过程中的变化情况。l

任何一个report都可以用来

创建监控(Monitor),同时基于

report的监控(Monitor)可以用做计算的终止判据。3.6.终止判据l

使用自动生成的终止判据Ø

稳态Ø

非稳态l

使用基于监视(monitor)的终止判据Ø

最大值Ø

最小值Ø

渐进值3.6.1使用自动生成的终止判据l

稳态Ø

Maximum

Steps;Ø

Stop

File:l

非稳态