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1.1软件简介

西门子工业软件（上海）有限公司是Siemens公司在中国的全资子公司。Siemens是全球领先的多领域工程仿真（CAE）解决方案供应商，在工业仿真领域有超过35年的实际工程经验，不仅提供软件的开发，而且拓展到了包括CFD和FEA等CAE领域的工程服务。STAR-CCM+是Siemens开发的新一代CFD软件，它采用了最新的IT和CFD技术，继承并发展了Siemens公司多年来在CAE行业的经验与成果。STAR-CCM+在全球超过8000多个用户，

该软件包含有几何建模、模型前处理、计算执行及计算结果后处理与分析一体化的集成环境，能够提供复杂几何的处理能力，减少表面网格和体网格的准备时间，提供广泛的物理模型来解决跨学科的综合工程问题。

图2.1 STAR-CCM+的跨学科问题综合解决方案

1.2 特点和优势

该软件较ANSYS公司的FLUENT软件，虽然二者在物理模型、离散格式、自由面处理方式、计算精度等方面几乎一致，但STAR-CCM+在一体化、自动化、

动网格、计算模型和方法、并行求解效率、与PLM的系统集成等方面有独特的优势：

（1）一体化集成环境

STAR-CCM+可以在单个工作界面集成整个仿真流程，是一款真正的几何处理、网格划分、求解器、后处理完全一体化环境的软件。在做几何多参计算、部件替换流场计算方面，高度自动化，大大提高多参流场计算效率。其模拟环境提供执行工程分析所需的所有阶段，其包括导入并创建几何、网格生成、控制方程求解、结果分析、设计探索研究模拟工作流程自动化、连接其他 CAE 软件进行协同仿真分析，如图2.2所示。基于工作流程自动化，STAR-CCM+在工作效率方面远超其他同类产品，被工业界广泛认可。

图2.2 STAR-CCM+的一体化集成环境

另外，整个过程可以在后台的批处理(batch)模式下使用Java命令流运行，便于和优化软件的连接。

（2）自动网格技术

除了自带3D-CAD建模功能外，STAR-CCM+能够导入市场上几乎所有主流三维建模软件的数据格式文件，并拥有包含包面，几何表面手工修复，网格质量检查等高效的前处理功能。

运用STAR-CCM+能够检查导入几何模型的表面错误，可手动或者通过包面技术修复CAD导入表面的穿刺、干涉、重叠、缝隙、小漏洞等错误。在工业级别的CFD应用中，前处理的网格生成部分往往占据了整个项目工作的大多数人工时间，而其中又以表面处理部分为甚。STAR-CCM+的包面（Surface Wrapper）技术可以自动地将复杂几何形体处理成完全拓扑封闭的、无任何泄漏的表面，以生成计算域的体网格。

此外，STAR-CCM+能够全自动进行面网格重构并生成体网格，体网格有四面体、切割体（如图2.3所示）及多面体（如图2.4所示）3种格式，而STAR-CCM+提倡的多面体网格更是目前CFD行业发展的一个趋势。多面体网格由于正交性较好，它既具有和六面体网格相近的精确度，也具有和四面体网格一样易于自动化生成的特点。STAR-CCM+能够直接生成多面体网格，可以对网格进行灵活操作，比如通过面网格加密或者控制体进行网格加密等。

总之，相对于CFD其他同类软件而言，STAR-CCM+的前处理工具异常强大，自动生成网格功能将CFD人员从繁重的网格绘制工作中解放出来，节省大量时间。CFD人员可以将更多的精力用于设计与优化等更有意义的工作。

（3）先进的动网格技术

对于因物体的变形和相对运动引起的动网格问题，STAR-CCM+提供网格变形（Morpher）和嵌套网格（Overset Mesh）两种方法。网格变形技术用于计算变形及包含运动的计算，通过类似弹簧光顺的方法来考虑网格的变形。设置参数简单，不需要对网格参数进行控制。而特有的嵌套网格技术通过多套网格之间的数值插值计算，避免了网格变形引起的网格质量下降，进而避免可能的计算发散和精度损失问题。利用动网格技术可以更加高效、便利的模拟复杂的运动和运动物体，如水弹性、螺旋桨旋转、操舵、船舶或海洋结构物在波浪上的运动响应等问题。

嵌套网格需要定义两套网格，一套网格应用于作为计算对象的物体，一套网格应用于背景网格，包含周围的流场及其他结构。两套网格之间通过取插值进行数据交换。这种方法更易于模拟复杂的运动和运动物体以及自动化执行参数研究。

（4）服务支持

能够提供具有船舶和海洋结构物水动力分析背景的专用技术支持工程师(Dedicated Support Engineer，DSE)，提供Steve Portal的账户进而

●创建技术支持case，并自动发送给DSE；

●搜索FAQ系统寻找问题的答案；

●下载最新的Spotlight技术文档；

●下载最新版本的安装软件；

●监视POD小时数使用情况（仅限POD许可用户）；

●通过IdeaStorm系统提交对于软件功能开发的意见；

●查看中国地区及Siemens全球公司的培训安排和计划；

●下载Siemens公司最新的全球用户大会资料；

●通过MacroHut登陆STAR-CCM+宏文件社区及论坛

提供邮件、电话、现场技术支持。对复杂工程问题，Siemens国外专家可以到现场进行技术支持、方案讨论以及工程咨询。STAR-CCM+中国用户大会每年举办，还可参加全球用户大会，与国内外同行和技术专家进行交流。此外，STAR-CCM+有着高效的并行计算效率。每年更新大版本，2月、6月、10月更新小版本。

（5）高效的并行计算效率

STAR-CCM+具备高效的并行求解效率，可通过调用大量的计算机硬件资料来加快计算速度。采用最新的计算机技术能够缩短计算机集群上的周转时间，提高并行效率，缩短所有内核上的求解时间，并且占用内存空间更小。STAR-CCM+是国际上第一款支持十万个以上核实现大规模并行计算的CFD程序，也是第一款能够求解十亿网格的CFD程序。每次版本更新官方均会对软件的并行效率进行测试，并公布相关数据。

（6）与PLM的集成

STAR-CCM+能够有效的集成到PLM系统中，实现和CAD/PLM的双向连接，从PLM接收仿真需求并将仿真的数据结果存储到PLM系统中，实现仿真数据的管理。同时，当CAD文件更新时，STAR-CCM+及时得到反馈信息并自动更新计算模型

进行新一轮的计算迭代，得到更新的计算结果。STAR-CCM+可通过与PLM的集成实现仿真数据管理和数据可追溯性。

1.3 与其他软件接口

STAR-CCM+属于Siemens系统平台Simcenter，可以为其他工具提供数据映射、基于文件的耦合，以及紧耦合协同仿真，包括：

与PLM接口：

PLM 格式：3DXML、PLMXML

与CAD接口：

支持的 CAD 系统：CATIA V5、Siemens NX、PTC Creo 和 Autodesk Inventor

与1D工具之间的协同仿真：

GT-SUITE (Gamma Technologies, LLC)

LMS Imagine.Lab Amesim (Siemens PLM Software)

OLGA (Schlumberger)

RELAP5-3D (Idaho National Laboratory, INL)

WAVE (Ricardo Software)

与3D工具之间的协同仿真：

STAR-CCM+（两个 STAR-CCM+ 仿真之间的协同仿真）

Abaqus (Dassault Systèmes)

使用 STAR-CCM+ 协同仿真 API 的第三方/特定用户工具

与CAE工具之间基于文件的耦合：

● Abaqus，使用 .inp 文件

● Ansys，使用 .cdb 文件

● Nastran，使用.nas、.bdf 或 .dat 文件

● TAITherm，使用 .ntl 或 .neu 文件

● RCAS，使用.in 文件

数据映射器（将数据插入不同的网格，或从不同网格插入数据）：

● 表面至表面、体积或梁

● 体积至表面或体积

● 梁至表面

● 表格至表面、体积或梁

1.4 基本功能介绍

（1）几何导入、修改和创建

STAR-CCM+从领先的 CAD 和 PLM 系统中导入几何，并可以在这些系统中集成。STAR-CCM+还提供内置功能，可以直接修改并创建 CAD 几何。

几何导入

STAR-CCM+读取如下几何数据：

● 原生格式：CATIA V4 和 V5、Siemens NX、SolidWorks、Autodesk Inventor、PTC Creo和 Rhino 3D

● 中性格式：IGES、STEP、Parasolid、IDF 和 JTOpen

● 三角格式：STL、CATIA 图形 .cgr、pro-STAR .dbs/.inp、Nastran 和 Patran shells .nas 和 .pat、Medina .bif、FELISA .fro、VDA-FS

● PLM 格式：3DXML、PLMXML

CAD 客户端

CAD 客户端可作为 STAR-CCM+插件提供，这些插件嵌入先进的 CAD 系统。CAD 客户端提供双向和关联几何数据传输。支持的 CAD 系统：CATIA V5、Siemens NX、PTC Creo 和 Autodesk Inventor。

几何修改和创建

3D-CAD 是基于参数特征的建模器，该建模器以Parasolid内核为基础。3D-CAD 可在 Linux 和 Windows 系统上运行，

并完全集成至STAR-CCM+客户端-服务架构。各种 CAD 功能套件包括：

● 创建基于参数特征实体和片体的所有相关操作

●绘制草图、拉伸、旋转、放样、扫掠和压印

● 体操作：形成图案、转换、布尔操作和压印

● 针对导入几何的去特征和缝合工具

● 针对旋转机械几何的自动切片工具

● 自动移除与模拟无关的小体或表面

● 流体域抽取

（2）网格划分

STAR-CCM+为表面和体积网格化操作提供全套功能。

网格拓扑

● 表面：三角形、四边形、多边形网格

● 体积：四面体、六面体、棱柱体、任意多面体

网格框架

STAR-CCM+网格框架提供灵活环境和可重复流程。该框架具有以下一般特性：

● 网格操作的序列操作和重新排序

● 按零部件串行、并行操作以及并行网格生成

● 面网格投影至 CAD

● 多零部件组合的共形四面体和多面体网格

表面网格化

STAR-CCM+的表面网格化工具用于在任意复杂和非整洁几何上提供高质量三角。可用表面网格化工具包括：

● 表面准备：手动修复和为网格化准备表面

● 包面：如果从质量不高的 CAD 数据开始，则可以提供闭合、流形、非相交表面

● 表面重构：为所有体网格类型提供高质量开始表面

● 2D 网格生成器：在 2D 几何上创建三角和多边网格

体网格生成

● 核心网格生成器

● 切割体网格生成器

● 多面体、四面体

● 棱柱层网格生成器

● 专用网格生成器

● 薄体零部件网格生成器

● 广义圆柱体网格

●拉伸网格生成器

●偏移网格生成器

● 扫掠 CAD 几何的直接网格生成器

●手动或自动创建扫掠补丁

●层数和分布控制

（3）丰富的物理模型

STAR-CCM+是多物理平台，可以求解源自物理基本定律的方程组。

流体力学

STAR-CCM+针对液流和能量建模的核心功能包括：

流体特性

● 无粘性流、层流或湍流

● 牛顿和非牛顿粘度

● 不可压缩与可压缩

● 多组分混合物

● 多相混合物

● 多孔阻力

● 重力加速度

● 被动标量

材料

● STAR-CCM+ 安装程序带有标准和扩展数据库

● 使用用户界面可以添加或修改用户自定义的材料和材料特性

● 利用 XML 格式可以直接创建用户自定义的数据库

热传递

● 传导

● 对流

● 辐射（具有视角因子的灰色和多波段表面至表面 (S2S) 模型、太阳能负载模型、针对参与媒介的离散坐标模型(DOM)）

时间离散

● 定常

● 非定常（显式和隐式）

状态方程

● 恒密度

● 理想气体定律

● 真实气体定律（Peng-Robinson、Redlich-Kwong、标准和修正 Soave-Redlich-Kwong、Van der Waals、平衡空气、IAPWS-IF97）

● 多项式密度

● 用户自定义

湍流

STAR-CCM+ 为不同流体行为建模提供各种湍流模型。

雷诺平均纳维－斯托克斯 (RANS) 模型

● Spalart-Allmaras（标准和高雷诺数）

● K-Epsilon（标准、可实现、两层、低雷诺数、椭圆混合、Abe-Kondoh-Nagano 和 V2F）

● K-Omega（标准和 SST）

雷诺应力传输模型

● 线性压力应变（标准和两层）

● 二次压力应变

● 椭圆混合

大漩涡模拟

● 亚格子模型（Smagorinsky、动态 Smagorinsky 和 WALE）

● 复合湍流初始条件和边界条件

分离漩涡模拟（延迟和改进延迟）

● SST K-Omega

● Spalart-Allmaras

● 椭圆混合

层流湍流过渡

● 用户自定义的湍流抑制

● Gamma ReTheta 模型

● Gamma 模型

关联模型

● 温度热通量模型

● 壁面处理（高 y+、低 y+ 和全 y+）

多相流（欧拉描述）

STAR-CCM+ 提供解决模拟中不同液相问题的多相求解器。

欧拉多相 (EMP) 分离流

● 为每个相求解不同的守恒方程

● 支持的相类型包括气体、液体和颗粒（粒状）

● 支持相间能量、动量和质量传递

● 大尺度界面 (LSI) 模型，适用于在同一模拟的局部区域捕获分层和离散流

● 颗粒和离散相模型，包括大小分布、断裂和聚结

● 壁面和总体沸腾

● 相级湍流建模

● 相化学反应

流体域体积 (VOF)

● 求解单集合守恒方程加一个体积分数方程

● 跟踪不混溶流体之间的自由表面

● 高分辨率界面捕获 (HRIC) 方案

● 相变过程：蒸发和冷凝、沸腾、气体溶解、熔化和凝固

液膜模型

● 求解表面上的薄膜流

● 通过用户初始化、边界喷射或来自其他相的碰撞形成膜

● 边缘或波剥离

● 相变过程：蒸发和冷凝、沸腾、熔化和凝固

● 与网格变形相结合从冻结薄膜进行质量转移，以模拟积冰

离散多相 (DMP)

● 以欧拉方式求解离散相的轻量级方法

● 可以形成液膜或根据液膜成形

混合多相 (MMP)

● 对类悬浮液多相流体进行建模的简化多相模型

● 通过假定悬浮液是均匀的单相系统来减少计算量

多相流（拉格朗日描述）

拉格朗日模型可以模拟各种流动过程，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。

拉格朗日多相

● 颗粒运动方程：曳力、压力梯度、虚拟质量、重力和体积力

● 多组分液体和固体颗粒

● 热和质量传递

● 碰撞侵蚀

● 雾化和破裂

● 碰撞与聚结

● 被动标量相互作用

● 尺寸分布功能

● 质量转移至VOF相

● 库仑力

离散元法 (DEM)

● 模拟大量交互离散对象

● 求解颗粒之间的接触物理

● 颗粒与颗粒接触以及颗粒与边界相互作用的模型

● 球体、任意组合或群颗粒

● 颗粒粘结与破裂

● 颗粒与颗粒、颗粒与边界，以及颗粒和连续相的热传递

● 颗粒研磨和冲击磨损导致的壁面侵蚀

将拉格朗日颗粒引入连续相的喷射器

● 点、零部件和表面

● 空心和实心锥体

● 压力漩涡

● 表格

● 栅格（仅适用于 DEM）

● 随机（仅适用于 DEM）

运动

STAR-CCM+能够对移动和变形网格和多参考系进行建模。与运动相关的具体特性是：

运动规范

● 用户自定义的刚性体运动

● 旋转和/或平移

● 动态流体相互作用 (DFBI)

● 对在液体力作用下的六自由度体运动进行建模

● 叠加运动

●体与体耦合

●外力

● 防接触

移动网格技术

● 滑动界面

● 使用重叠（嵌套）技术的重叠网格

● 移动参考系 (MRF)

● 网格变形

● 谐波平衡的叶片颤振

● 用户自定义的节点运动

反应的流体

STAR-CCM+可以提供模拟化学过程的模型，涉及燃烧、聚合和其他化学反应。

燃料类型

● 固体、液体、气体和欧拉多相流体

反应类型

● 预混、部分预混和非预混燃烧

● 一般气相化学

● 表面化学

● 液液化学

● 相间反应

燃烧模型

●复杂化学反应模型

●涡破碎反应模型（EBU）

●加厚火焰模型（TFM）；

●FGM模型

●稳态层流火焰模型（SLF）

●化学平衡模型

其他模型

● 氮氧化物排放

● 碳烟排放

● 颗粒燃烧

● 煤燃烧

● 聚合

● 1D 反应通道

● 漩涡接触微观混合

固体力学

STAR-CCM+为解决固体力学问题提供积分有限元求解器。

● 线性弹性材料

● 线性和二次固体元素：六面体、四面体、楔形和棱柱体

● 静态、动态和准静态分析

● 压力、拉力和力负荷

● 固定、位移和法向位移约束

● 适合组合建模的约束接触

● 具有完整和修正牛顿矩阵更新的非线性几何

● 来自映射温度场的热应力

● 流体结构相互作用分析

伴随求解器

伴随法可以有效预测众多设计参数和物理输入量对相关工程量的影响。

● 适用于固体和液体的耦合隐式求解器

● 能够提供众多成本功能，包括组合成本功能和用户自定义

● 提供相对于网格误差估计、网格变形控制点（形状变化）、表面变形和流体参数的梯度

电化学

STAR-CCM+的电化学模型支持整个化学和电化学反应过程的离子传输研究。

● 表面电化学反应和加热

● 离子传输

● 大量离子化学反应

● 锂离子电池单元的 3D 微结构模型

等离子体

STAR-CCM+ 包括电子传输，为冷、非热等离子体研究提供支持。

● 电子传输和能量

● 离子传输

电磁

STAR-CCM+ 包含求解电场和磁场的电势和磁势模型。

● 电动势模型

○ 磁流体力学 (MHD)

○ 电阻加热

○ 电镀层

● 静电势模型

● 磁矢势

● 横向磁矢势

气动声学

STAR-CCM+气动声学模型可以预测液体系统的噪声产生。

● 宽带噪声源模型

○ Curle、Goldstein 轴对称、Proudman、Lilley 和线性欧拉方程 (LEE)

● 声波扰动方程 (APE) 求解器

● 使用 Ffowcs Williams-Hawkings 的远场传播

● 时间频域分析工具，包括 FFT、过滤器和光谱数据

计算流变学

有限元求解器适合对流变物理起主导作用的流体和能量问题进行建模。

机械特性

● 广义化或粘弹性材料的牛顿（高粘度）和非牛顿应用

● 广义化：幂次定律、Cross 和 Carreau-Yasuda

● 粘弹性支持多达 8 种模型：Oldroyd-B、Giesekus-Leonov、Phan Thien-Tanner/JS（线性和指数形式）以及 Pom-Pom

建模能力

● 轴对称、2D 或 3D

● 稳态或隐式非稳态

● 针对伴有大量发热问题的粘性能量

● 挤出胀大拉伸问题的自由表面

● 针对简单混合的被动标量

● 停留时间

（4）求解器

STAR-CCM+ 根据已选模型及其边界条件构建对应的方程组求解器。

精度

STAR-CCM+ 采用混合和双精度算法。

有限体积法

● 分离流求解器

○ 自动连续体初始化

● 耦合流体求解器

○ 自动网格排序初始化

○ 求解流程的专业驱动器

○ 收敛加速器

● SIMPLE（稳定和非稳定）以及 PISO（仅非稳定）求解算法

● 代数多网格线性求解器

● 周期性非稳定流体的谐波平衡法

● 一阶、二阶和三阶差分方案

有限元法

● 共享或分布式内存线性直接求解器

● 核心内或核心外内存储存

● 内存估计

● 多线程

并行执行

● 自动 ParMetis 分解

● STAR-CCM+ 安装程序提供 IBM Platform MPI、Intel MPI 和 MPICH2（仅限 Windows 系统）

○ 兼容 Open MPI、Microsoft MPI、SGI MPI 和 Cray MPI

● 并行磁盘 I/O

（5）数据分析及后处理

STAR-CCM+为分析模拟结果提供数字和可视化工具。

报告

● 报告提供当前模拟或 CPU 数据的计算总结。STAR-CCM+提供三种类型的报告。

● 系统报告

● 提供与性能和内存相关的信息

● 统计数据报告

● 将统计功能用于模拟的数据

● 具体报告

● 提供与特定物理模型相关并且仅适用于该模型的信息

● 包括谐波平衡、DFBI、反应流和固体力学报告

监视器

• 监视器在求解期间实现模拟总结信息采样并保存。

• 基于报告

• 随着模拟的推进提供报告值的演进

• 场监视器

• 从全部或部分求解域收集数据样本

• 类型包括：最大值、最小值、平均值、和、方差和协方差

绘图

绘图以图形方式显示来自 STAR-CCM+ 或使用表格导入的数据。绘图外观和布局完全可定制。

监视器绘图

在求解进行时，显示基于报告的监视器收集的值

XY 绘图

能够根据可用求解变量或表格数据显示标量值的二维图

直方图

能够显示数据分布的二维柱状图

可视化

通过图形场景和相关显示器实现 STAR-CCM+ 结果可视化。特定的结果渲染取决于使用的显示器类型。任何模拟都可以拥

有任意数量的场景，每个场景具有任意数量的显示器。

默认场景类型

● 几何、网格、标量、矢量或空

全局场景控制

● 灯光、背景颜色和图像、对象剪切、注释、测量网格、场景更新和导出后处理实体

● 标量场显示

● 2D 和 3D 矢量字形

● 众多预定义颜色映射，并具有创建新颜色映射的工具

● 流线

● 标量场的体积渲染

● 矢量场的线积分卷积 (LIC)

● 截面切片

● 等值面

● DFBI 体、力和耦合显示

● 点、线、网格和任意探头

● 显示夸张变形的标量和矢量包面

模拟总结

STAR-CCM+ 能够生成用户自定义的 HTML 报告，其中详细介绍为模拟选择的设置。

STAR-View+

三维 STAR-CCM+ 场景文件的免许可证场景查看器。利用 STAR-View+ 可以：

● 为后期处理预览提供场景集合

● 在场景内进行平移、滚动、旋转以及缩放

● 在一个场景或一系列场景内动画显示对象

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