STAR-CCM+求解器选择与设置：流体动力学仿真核心步骤


参考资源链接：[STAR-CCM+ 13.02 中文用户指南：仿真模拟与问题解决](https://wenku.csdn.net/doc/6401ac07cce7214c316ea5e2?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STAR-CCM+软件概述

STAR-CCM+是由CD-adapco开发的一款集成的计算机辅助工程(CAE)软件，专注于计算流体动力学(CFD)。它使用了复杂的算法来模拟和分析多种物理现象，包括流体流动、热传递、化学反应和固体力学。STAR-CCM+的设计目标是提供一个直观的用户界面，方便工程师轻松建立仿真模型，进行求解器选择、参数优化，并最终获取高度精确的仿真结果。

在本章中，我们将简要介绍STAR-CCM+的用户界面和基本功能，为后续章节的深入讨论打下基础。我们将探讨如何通过STAR-CCM+进行流体动力学模型的创建、网格划分、边界条件设定、求解过程控制以及结果后处理。这些操作共同构成了流体动力学仿真的完整工作流程。

请查看下面的代码块，我们将通过一个简单的STAR-CCM+启动脚本开始我们的旅程：

# STAR-CCM+启动命令示例
starccm+ -help

执行该命令将启动STAR-CCM+软件，并显示帮助信息，为用户提供软件的详细使用指导。

# 2. 求解器选择的理论基础

### 2.1 流体动力学的基本方程

#### 2.1.1 连续性方程

连续性方程是流体力学中描述流体质量守恒的方程。在不可压缩流体中，连续性方程可以简化为流体的体积流量在任何封闭曲面上都保持不变。连续性方程的数学表达通常写作：

\nabla \cdot \vec{v} = 0

其中，`\(\vec{v}\)`代表速度场，`\(\nabla \cdot\)`是散度算子。这个方程表明，流体在任意控制体积内流入和流出的净流量必须为零，以满足质量守恒的条件。

#### 2.1.2 动量方程

动量方程，也称作纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，描述了流体微元的动量变化及其受到的作用力，是流体力学中最核心的方程之一。其数学表达形式如下：

\rho \left(\frac{\partial \vec{v}}{\partial t} + \vec{v} \cdot \nabla \vec{v}\right) = -\nabla p + \mu \nabla^2 \vec{v} + \vec{f}

其中，`\(\rho\)`是流体密度，`\(\vec{v}\)`是速度矢量，`\(t\)`是时间，`\(p\)`是流体压力，`\(\mu\)`是动力粘度，`\(\vec{f}\)`是体积力。这个方程的物理含义是流体微元的动量变化等于作用在微元上的压力力、粘性力和外力的合力。

#### 2.1.3 能量方程

能量方程描述了流体的能量守恒，通常以能量守恒定律的形式来表达，涉及内能、动能、以及外界对流体所做的功。在没有热源的情况下，能量方程可以简化表达为：

\rho C_p \left(\frac{\partial T}{\partial t} + \vec{v} \cdot \nabla T\right) = k \nabla^2 T + \Phi

其中，`\(C_p\)`是定压比热容，`\(T\)`是流体温度，`\(k\)`是热导率，`\(\Phi\)`是由于粘性耗散产生的热量。该方程表明，在绝热无源的情况下，流体温度随时间的变化率和速度场有关，且温度梯度会通过热传导和粘性耗散改变。

### 2.2 流体类型与求解器类型的关系

#### 2.2.1 不可压缩流求解器

对于不可压缩流体，如水和大多数液体，在低速流动和一定压力变化范围内，密度变化可以忽略不计。针对这类流体，求解器选用时要特别注意其对不可压缩流动的处理能力。不可压缩流求解器常见的处理方法包括使用压力修正算法，例如SIMPLE算法族。

#### 2.2.2 可压缩流求解器

可压缩流求解器适用于处理流动速度接近或等于声速的情况，例如空气在高速飞行器周围的流动。在STAR-CCM+中，常用的可压缩求解器包括密度基求解器和压力基求解器，它们依据流体密度是否变化来分类。

#### 2.2.3 多相流求解器

多相流求解器是针对流体中存在两种或两种以上不同相态（如气液两相）的情况设计的。这类求解器能够处理界面追踪和界面捕捉问题，适用于如泡、滴、喷雾等流体动力学问题。

### 2.3 求解器稳定性和收敛性分析

#### 2.3.1 稳定性理论

稳定性理论研究求解器在计算过程中数值解不会无限制发散的能力。一个稳定的求解器对于微小的扰动和误差具有良好的抵抗能力，不会导致数值解偏离物理真实解。通常通过数学分析和实际测试来评估求解器的稳定性。

#### 2.3.2 收敛性评估方法

收敛性是求解器迭代计算过程中，数值解逼近真实物理解的能力。收敛性评估方法包括计算残差的下降趋势、监测特定物理量的变化等。对于STAR-CCM+，通常需要在迭代过程中检查残差下降是否稳定，并且满足特定物理场的收敛标准。

在对求解器进行理论基础学习和选择时，工程师和研究人员需要深入理解各种求解器的工作原理、适用条件以及优势和局限性。这将为后续的仿真实验设计和分析奠定坚实的基础。

# 3. 求解器设置与参数优化

## 3.1 网格生成与求解器的适配性

### 3.1.1 网格质量的影响

在流体动力学仿真中，网格是整个数值求解过程的基础。网格质量直接影响到数值解的准确性和求解器的计算效率。一个高质量的网格能够准确地捕捉到流场中的关键特性，比如激波、涡流等，同时减少数值耗散和扩散，提高仿真结果的可靠性。

#### 网格质量的衡量标准

- **网格正交性**：网格节点的连线与边界应该是正交的，以减少数值误差。
- **网格均匀性**：网格尺寸的变化应尽量均匀，避免产生不必要的网格扭曲。
- **网格密度**：在流场梯度较大的区域，需要加密网格，而在梯度较小的区域可以适当稀疏网格。

#### 网格质量检查方法

- **使用内置工具**：大多数仿真软件如STAR-CCM+