粒子跟踪与离散相模拟：StarCCM+ 15.02版关键技术速成课


参考资源链接：[Simcenter STAR-CCM+ 15.02 官方中文帮助文档指南](https://wenku.csdn.net/doc/6401ad2fcce7214c316ee997?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 粒子跟踪与离散相模拟简介

在现代工程和科学领域，对颗粒物质的行为和相互作用的深入理解至关重要。粒子跟踪与离散相模拟作为一种强有力的工具，能够帮助我们模拟和预测这些复杂现象。它广泛应用于空气动力学、化学工业、制药、材料科学以及环境科学等多个领域。本章将对粒子跟踪与离散相模拟的基础概念进行介绍，并探讨其在现实世界中的重要性。

粒子跟踪技术的核心在于追踪在连续介质中运动的离散粒子，如流体中的固体颗粒或液滴。模拟离散相则涉及计算流体动力学（CFD）中的多相流问题，其中至少涉及一种相为分散相（如气泡、颗粒、液滴），而另一种为连续相（如空气或水）。粒子跟踪模拟不仅要求对粒子的运动状态进行精确计算，还必须考虑粒子与连续介质之间的相互作用。这对于理解复杂的流体动力学现象以及相关的工程设计具有至关重要的意义。

随着计算技术的进步，粒子跟踪与离散相模拟在精度和效率上都有了显著提升，使其在科研与工业领域得到广泛应用。本章内容将为后续章节中关于软件操作、模拟建立、参数配置以及结果分析等深入讨论打下坚实基础。

# 2. StarCCM+ 15.02基础操作

### 2.1 StarCCM+ 用户界面与环境设置

#### 2.1.1 用户界面概览

Star-CCM+作为一款综合性的计算流体动力学(CFD)软件，其用户界面设计旨在提供一个直观且功能强大的环境，以便用户可以高效地进行模拟。用户界面包含了各种功能区，例如：工具栏、主视图、场景浏览器、控制面板等。

- **主视图**：在这里你可以进行3D模型查看，可以旋转、缩放和移动来查看模型的各个方面。
- **场景浏览器**：提供了对整个计算域、边界条件、物理模型和结果数据等所有项目的全面控制。
- **工具栏和控制面板**：这里可以访问常用功能，如新建场景、保存文件、运行模拟等操作。

**代码块示例**：

// StarCCM+ Java宏示例，用于创建一个新的场景
import com.starccm.model.Scene;
import com.starccm.ui.main.MainWindow;
import com.starccm.ui.main.SceneBrowser;

// 获取场景浏览器
SceneBrowser sceneBrowser = MainWindow.getActiveMainWindow().getSceneBrowser();
// 创建新场景
Scene newScene = sceneBrowser.createScene();

上述Java宏首先导入必要的类，然后获取当前的场景浏览器实例，并使用该实例创建一个新的场景。尽管StarCCM+的主要操作是通过图形用户界面进行，但宏可以用来自动化重复性任务。

#### 2.1.2 工作环境的定制与管理

为了满足不同用户的个性化需求，StarCCM+允许用户根据自己的喜好和工作习惯来定制界面。用户可以通过拖动、调整大小和定位面板来自定义工作环境布局。此外，通过"选项"菜单，可以设置快捷键、定制工具栏、配置颜色主题等。

**参数说明**：
- 快捷键设置可以提升操作效率，例如：为常用的模拟运行命令设置快捷键。
- 工具栏自定义允许用户根据使用频率将最常用的功能放置到工具栏上。
- 颜色主题可以减少视觉疲劳，提高长时间工作的舒适度。

**操作步骤**：
1. 从主菜单选择"工具"->"选项"。
2. 在选项对话框中选择"界面"标签。
3. 在此界面可以进行快捷键、工具栏和颜色主题的设置。

### 2.2 粒子跟踪与离散相模型建立

#### 2.2.1 模型创建步骤

创建粒子跟踪和离散相模型的过程可以分为几个步骤，从定义物理模型到设置材料和边界条件。

1. **定义物理模型**：选择适当的物理模型以适应你的问题，例如离散相、多相流等。
2. **几何建模**：构建或导入用于模拟的几何模型。Star-CCM+支持多种CAD格式。
3. **网络划分**：对计算域进行网格划分是进行模拟的重要步骤。
4. **材料和边界条件**：为模拟的流体和固体指定材料属性，同时设置适当的边界条件。

**代码块示例**：

// 假设的粒子跟踪模拟设置
#include <iostream>
#include <string>
#include <ccmio.h>
#include <ccmmodel.h>

using namespace CCMIO;

int main(int argc, char *argv[]) {
    // 初始化Star-CCM+环境
    CCMApplication::getInstance().initialize();
    // 创建粒子跟踪模拟模型
    Model model("ParticleTrackingDemo");
    // 定义粒子属性
    ParticleProperties properties("ParticleProp");
    properties.setDiameter(1.0); // 假定粒子直径为1单位长度
    // 添加粒子属性到模型
    model.addParticleProperties(properties);
    // 创建离散相材料
    DiscretePhaseMaterial material("DiscretePhaseMat", properties);
    model.addMaterial(material);
    // ... 配置其他模型参数，如边界条件和网络
    // 运行模拟
    model.run();
    // 清理环境
    CCMApplication::getInstance().terminate();
    return 0;
}

上述代码演示了粒子跟踪模拟模型的创建步骤。尽管代码为示例，不能直接在StarCCM+中运行，但它反映了创建粒子跟踪模型所需的基本操作和逻辑。

#### 2.2.2 材料与边界条件设置

设置适当的材料和边界条件对于获得准确模拟结果至关重要。

**材料设置**：在材料属性中定义流体和粒子的物理特性，如密度、粘度等。

**边界条件设置**：在几何边界处定义如何处理流体的流动，例如速度、压力、温度的输入条件。

**参数说明**：
- 材料的粘度、密度等参数对流动特性有很大影响。
- 边界条件设置应基于实际问题和实验数据，如进/出口流速、压力条件等。

**操作步骤**：
1. 打开材料编辑器并创建新的材料。
2. 在材料编辑器中定义粒子的物理属性。
3. 在几何模型的边界处应用边界条件。
4. 在适当的对话框中输入边界条件参数。

### 2.3 模拟流程与参数配置

#### 2.3.1 时间步长与迭代次数

时间步长和迭代次数是控制模拟过程的关键参数。时间步长过小可能导致计算时间过长，过大则可能忽略重要的物理细节。迭代次数决定了每个时间步长中求解器将执行多少次计算。

**参数说明**：
- 时间步长应基于物理过程的特征时间尺度设置，例如，快速流动应使用更小的时间步长。
- 迭代次数应足够以确保收敛性，通常由残差下降曲线来决定。

**操作步骤**：
1. 在模拟控制面板中设置时间步长。
2. 确定迭代次数或选择默认的迭代次数。
3. 运行模拟并观察残差曲线来调整这些参数。

#### 2.3.2 模拟控制选项

模拟控制选项允许用户精确控制模拟的各个方面，包括求解器类型、加速收敛的技术、以及收敛标准。

**参数说明**：
- 不同的求解器适用于不同类型的流体问题，如压力基求解器或密度基求解器。
- 加速收敛的技术，如多重网格或预处理器，可以在一定程度上减少所需的迭代次数。
- 收敛标准通常基于残差值或监测变量的变化。

**操作步骤**：
1. 在模拟控制面板中选择合适的求解器。
2. 如果需要，配置加速收敛的技术。
3. 设置残差和监测变量的收敛标准。

#### 2.3.3 输出设置与数据保存

为了详细分析