SimcenterSTAR-CCM-

Simcenter STAR-CCM-


1.2 STAR CCM+


Simcenter STAR-CCM+ 是一个完整的多物理场解决方案,可对真实条件下工作的产品和设计进行仿真。其独特之处在于,Simcenter STAR-CCM+ 给每位工程师的仿真工具包带来了自动化设计探索和优化,让其可以高效地探索整个设计空间,而不是将注意力集中在单点设计场景上。使用 Simcenter STAR-CCM+ 引导用户的设计流程,从中获得的额外见解最终将会打造出远超客户期望且更加富有创新性的产品。

STAR-CCM+软件是一个完整的工程分析软件,模块功能涵盖整个仿真分析的各个阶段:

l   几何导入或创建

l   网格生成

l   方程组解算器

l   仿真结果后处理和报告

l   设计探索工作流程的自动化

l   与其他CAE软件协同仿真

1.2.1 前处理

1.2.1.1几何导入

STAR-CCM+可以通过内嵌的CAD客户端导入完整的第三方专有格式CAD模型,且无需安装对应的CAD软件包,即可以从 Simcenter STAR-CCM+ 内“抽取”这些数据,而不是从 CAD 软件包“推送”模型。STAR-CCM+可以导入的几何文件类型如下:

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额外的license,而使用原始格式导入几何则需要与CAD软件对应的Reader license,因为导入几何的程序为第三方产品。导入的几何可以保留表面、特征线以及零部件的名称。

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1.2.1.2 CAD Client

STAR-CCM+提供了与主流建模软件的定制开发接口,使用CAD Client可以完成几何的双向传输,即在CAD软件中更新设计,STAR-CCM+中模型也会随之更改;同时支持在 Simcenter STAR-CCM+ 中进行设计更改,CAD 将随即更新。通过CAD Client可以实现STAR-CCM+与建模软件的实时通信及模型传递,可以大幅度提高几何处理及优化设计的处理效率。现在支持双向连接的CAD软件有CATIA V5, Siemens NX, PTC Creo, and Autodesk Inventor。

1.2.1.3几何创建

STAR-CCM+ 3D-CAD 建模器是基于 Siemens Parasolid kernel 且基于参数化特征的环境,完美支持Windows和Linux系统,包含功能有:

l  创建参数化实体和片体的所有操作:草图、拉伸、旋转、扫掠、压印等

l  体操作:阵列、移动、布尔运算和压印

l  自由曲面造型:带边缘约束的U-V网格变形

l  导入和编辑2D或3D曲线

l  去特征和间隙缝合工具

l  旋转机械叶片自动切片工具

l  自动移除与仿真无关的微小体或面

l  流体域抽取功能

1.2.1.4表面修复及表面网格

直接导入的CAD数据通常不能直接用于流体解析计算。一般情况下只导入了固体区域,需要抽取流体域。对于流体域可能存在较多的几何细节,这些细节对分析结果影响不大,大多数情况下可以简化处理;如果不简化这些细节,流体网格数量会成倍增加,增加计算量的同时亦不利于结果收敛。流体计算域表面必须是封闭的且没有多重边,可以通过表面修复达到这一要求。此外,导入的几何表面必须被分割或合并,以便施加正确的边界条件。

对于简单或者少数几何问题,使用手动修复工具即可;对于复杂或者质量比较差的几何,可以使用表面包面功能;对于表面三角化网格质量差的情况,可以使用网格重构功能。

手工修复表面

手工修复表面功能主要处理自由边和相交表面问题,对于特殊的面可使用手动进行分层压印,或者对表面进行分割和合并以创建需要的边界。

自动修复表面

自动修复表面功能主要应用于穿透面、质量差的面和节点较近产生的错误,当然这些问题也可以手动修复。

包面

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。可以说表面处理常常是CFD应用中的一个瓶颈,对一个复杂形体的表面处理往往耗费大量的时间,可能花费数周甚至几个月时间,同时也需要大量的人工干涉过程。针对该问题西迪安科公司研发出了包面技术,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。使用STAR CCM+处理2500万网格仅需1~2天,而使用其他同类软件可能需要数周时间。

表面包面是一种对原始CAD表面的拟合逼近技术,能够自动地封闭计算域的拓扑表面,修复CAD导入表面的穿刺、干涉、重叠、缝隙、小漏洞等错误,而手工修复上述问题需要大量的时间。

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表面网格重构

表面重构用于包面的网格或者CAD导入的几何表面三角化网格,是在现有的表面三角化网格基础上进行重构、改善和优化表面网格,这一过程总是在体网格生成前完成。表面重构可以全局设置,亦可以针对某一边界/表面。

面网格的质量将直接影响体网格的质量,表面网格准备越充分,体网格质量越好。在生成体网格之前要使用修复工具检查表面网格的质量。

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1.2.1.5体网格划分

STAR-CCM+提供强大的体网格划分功能,可分为两大类。

一般的目标网格,包括切割体网格、多面体网格、四面体网格。

l   四面体网格:基于得朗奈基础理论生成网格,将网格点不断迭代计算插入到求解域中。这种方法生成的网格数量庞大,收敛慢,但具有很强的几何适应性。

l   多面体网格:基于二元化方案,在四面体网格下自动创建的,生成的网格一般平均下来包含14个面网格。多面体网格比四面体网格计算精准,收敛快,几何适应性良好,且在不同区域中的交界面上形成共形的网格,广泛应用于工业仿真领域。

l   切割体网格:利用模版网格对流体域进行切割,创建切割体网格。切割体网格比多面体网格需求的内存少,但在不同区域的交界面上不能提供共形网格。

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特殊网格(2.5D),包括拉伸体模型、棱柱层网格、薄体网格、广义柱体网格、贴体网格以及直接划分网格。在网格技术中2.5D网格是一个综合的定义,实际是按照创建的特定几何的2D网格在生成3D网格时有一些简化,比如按照预定方向拉伸、按局部指定方向拉伸、沿3D曲线轴扫略等。

l   棱柱层网格:仅从Wall边界上生成的棱柱网格,用于湍流计算和近避面热传递,其厚度、层数和分布取决于湍流模型的选取。STAR-CCM+在生成核心网格前首先按照定义的厚度生成边界层网格,生成核心网格后,subsurface layer从表面投影到wall,最后生成棱柱层。

l   拉伸模型:拉伸模型允许从任何边界进行拉伸,增加体网格。一般应用于出口边界,可以很好的解决回流问题,有利于收敛。

l   薄体网格:本质是生成棱柱网格,用于体积较薄的区域(例如固体边界、隔离罩等)。

l   广义柱体网格:本质上是按照流动方向生成拉伸网格,使得解决特定几何问题更加高效。

l   贴体网格:从表面拉伸成体网格使得薄体网格得到更加统一的网格,本质上看与棱柱层网格设置相同。

l   直接划分网格:用一个现存的网格或者一个patch mesh进行拉伸/扫略,对一定范围内的CAD几何模型生成结构化网格。

STAR-CCM+允许用户通过体积控制对一个区域内的网格进行加密或者降低网格密度。

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1.2.1.6衡量体网格质量

对于STAR-CCM+生成的体网格,有以下衡量标准:

l   Face Validity—相对于重心的面法线的面加权测量。较好质量的单元,面的法线总是穿过单元的重心;通常大于1,值低于1代表单元周围的面没有指向重心(存在凹面),值低于0.5意味着存在负体积。

l   Cell Quality—指向体网格的重心梯度。一个单元的质量为1,这个单元是完美的单元(例如正六面体和正四面体)。如果单元质量接近于零,可以说这个单元你已经崩溃了。根据物理模型选择,网格质量不低于1.0e-6对于计算来说应该是没有问题的,但是建议单元质量大于1e-3。

l   Volume Change—描述一个单元与邻近最大的一个单元的体积比。如果值为1,表示该单元与邻近单元等高。例如一个单元体积相对于邻近单元减小,那么体积改变衡量标准则用于标记网格。在单元之间存在较大的梯度变化则会影响求解稳定性。单元体积改变小于1e-3则需要进行检查。

1.2.2求解器和物理模型

1.2.2.1支持无限核计算的求解器

STAR-CCM+是一个用户友好且强大的多物理量框架工具集。作为一款通用CFD软件,采用最新IT技术,解算器可以求解流体力学、结构应力、粒子流动、声场以及电磁场等方面问题。使用C++编写核心算法,支持在Linux和Windows下运行。

STAR-CCM+支持超大规模无限核并行计算,首次实现了10亿网格的超大规模并行计算。

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1.2.2.2 丰富的物理模型

STAR-CCM+提供了丰富的物理模型,可以覆盖航空航天、汽车、船舶、能源等行业的主要应用,如机翼高升力设计、防冰/结冰设计、燃油动力系统设计、汽车外流场计算、汽车机舱热管理、乘员舱舒适性分析、螺旋桨空泡分析、工业用气体燃烧分析、透平叶片冷却分析等。以下列举部分物理模型:

l   稳态/非稳态

–1阶隐式解法, 2阶隐式解法

l   不可压缩流/可压缩流

–分离解法(segregated solver)

–耦合解法(coupled solver)

l   无粘流/ 层流/湍流/ 转捩

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

–k-ω系(Standard, SST, BSL)

–Spalart-Allmaras

–RSM(线性Pressure-Strain, 非线性2次Pressure-Strain )

–DES(Spalart-Allmaras, k-ω SST)

–LES(Smagorinsky, WALE)

–近壁面处理(标准壁面函数,非平衡壁面函数,低雷诺数模型,混合壁面函数)

–层流湍流转捩模型(γ-Reθ模型by Langtry-Menter)

l   非牛顿流体

l   多孔介质

–多孔介质区域

–多孔介质挡板(baffle)

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l   热耦合

–流体热传导

–固体热传导(等方性/非等方性)

–固体-流体之间的热传递

–固体发热

–浮升力(考虑重力)

–辐射(角系数计算,S2S法, DOM法)

–对应于多波段(S2S法,DOM法)

–气体辐射

–太阳辐射

l   多相流:拉格朗日多相流

–热传递,蒸发/凝结

–阻力,湍流扩散,壁面冲击(粘附,反弹)

–侵蚀模型

l   多相流:欧拉多相流

–相间曳力

–离散相粒径

l   多相流:自由表面流

–考虑可压缩性,表面张力,接触角

–热传递(包含固体热耦合),沸腾

l   气蚀模型

–Rayleigh-Plasset模型

l   燃烧及化学反应

–各种EBU模型

–PPDF模型

  Single Fuel,Multi Fuel

–火焰传播模型

  CFM模型

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

  气相反应,表面反应

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l   排放

–NOx模型(flamelet模型)

l   移动边界

–滑移网格

–Dynamic Fluid/Body Interaction (DFBI)  6自由度的刚体运动

l   旋转机械解析功能

–谐波平衡分析方法(Harmonic Balance Method)

–滑移网格

–多重参考坐标系(MRF)系隐式解法

–混合平面隐式解法

–风扇动量源模型

l   流体噪音

–流体/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

–除霜和除雾模拟

l   应力解析

–有限体积法的静态分析功能(等方弹性体)

–假定微小形变

–和流体分析同时计算

l   火灾、烟雾扩散分析向导(Fire and Smoke Wizard)

l   热舒适性分析向导(Thermal Comfort Wizard)

1.2.3后处理

STAR-CCM+不需要其他软件进行数据格式的转化,提供模拟过程中实时的信息反馈,可实时监测求解过程中的物理量变化,也可在计算完成后进行后处理。

STAR-CCM+提供了局部坐标系功能和场函数功能,方便客户快速和方便的定义速度和方向矢量;此外,软件还提供了预设的标量、矢量场函数以及为用户定义的场函数。STAR-CCM+可以通过报告和监视器、衍生体、x-y绘图等方式查看计算结果。

1.2.3.1报告和监视器

报告显示当前模拟或CPU数据的计算摘要,软件提供了三种显示方式。

l   系统报告:提供系统性能及内存使用的相关信息,方便用户判断计算机使用情况,及时做出调整。

l   统计报告:使用统计函数对模拟数据进行处理,是最常用的报告形式,可以计算通量、力、力矩、平均值以及积分等。

l   特殊报告:提供特定物理模型的相关信息,包括谐波平衡,DFBI,反应流和固体力学的报告。

监视器显示并保存在计算过程中从模拟结果取得的摘要信息。

l   基于报告的监视器:随着计算迭代过程,提供最新迭代步下报告定义值。

l   基于场的监视器:基于部分或整个计算域收集数据,如场总和、场协变、场方差等。

报告和监视器的组合运用可以很好的监测收敛进度,用户可以根据监测数据更改松弛因子等参数,提高收敛速度。

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1.2.3.2绘图

绘图功能可以图形化显示来自软件计算结果的数据或者导入的表格数据,外观和布局可以根据用户需求定制。

l   监视器绘图:对于基于报告的监视器,可以在计算过程中实时显示报告值曲线,一目了然。

l   XY绘图:二维图形,可以显示计算结果或者表格中的标量值,每迭代步或者时间步实时更新。

l   直方图:显示数据分布的二维条形图

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1.2.3.3 可视化场景

计算结果的可视化是通过几何和相关的“显示器”来呈现的,选择不同的“显示器”类型可以展示不同计算结果。常见的显示器类型有几何、网格、矢量、标量。对于这些可视化的场景,可以控制背景颜色/背景图、光源位置、环境映射、测量方格、注释、结构体透明化显示等等,其中光线追踪给用户提供了真实的场景呈现。

STAR-CCM+中可视化场景可以显示:

l   标量场

l   2D或3D矢量场

l   已预设好的或者自定义的图例

l   流线及动画

l   向量场的线积分卷积

l   切面图

l   等值线图

l   显示DFBI体的运动、受力

l   任意线、点、threshold面或者探测点

l   标量和向量的扭曲,以显示夸张的变形

瞬态计算中可以保留历史数据创建动画,稳态或者瞬态生成的动画都可以输出到视频文件(AVI格式)。此外,STAR-CCM+可以将计算结果导出到多种第三方数据处理软件,具备及其丰富的数据输出接口。

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1.2.3.4 STAR-CCM+ VR

STAR-CCM+ VR允许用户在虚拟现实环境中探索STAR-CCM+仿真解决方案。用户可以站在一个解决方案中检查流动、能量等变量如何与数字原型交互。

STAR-CCM+ 中VR功能是与HTC Vive合作开发的。HTC Vive是一款虚拟现实头戴式显示设备,它使用房间比例尺跟踪技术来捕捉你在三维空间中的动作。除了基站和头戴设备,HTC Vive还提供了两个无线控制器,在虚拟现实环境中充当双手。这些控制器提供多种输入方法,包括触发器、按钮和跟踪板。当激活时,STAR-CCM+ VR会在模型下方设置一个地板,在模型上方设置一个天花板。显示器中显示的地板与你脚下的真实地板相对应——当你设置HTC Vive时,你要校准地板的位置。天花板固定在你头顶上方一定的距离。

STAR-CCM+ VR功能包括:

l   独立模式:允许用户单独查看STAR-CCM+输出的 “.sce”文件内容

l   连接模式:在运行的STAR-CCM+服务器上与场景交互

l   粒子跟踪器——将粒子释放到流场中,并实时观察它们的运动(需要将重采样的体块应用到矢量显示器上的场景中)

l   剪切平面——删除表面,以便查看后面的几何图形

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1.2.4设计探索和优化

Design Manager在STAR-CCM+中提供了一种自动化的方法来运行设计探索研究,包括性能评估和设计优化。

大多数工程产品的开发和改进都是对影响产品性能的参数进行系统分析的结果。产品的性能可以与其主要的操作特性相关联,并涉及可测量的结果量,例如重量、大小或阻力。为了提高产品的性能,识别关键参数并调整它们的值的过程通常需要大量的设计迭代。这种探索的每次迭代都会使产品变得更好或更差。然而关于如何在无数潜在的设计中导航到某个最终目标,每个设计都提供了有价值的信息。激发这种设计空间探索的问题有:

l   怎样才能通过改变侧镜的位置来减少汽车的阻力?

l   弯曲半径对管道上的压降有什么影响?

l   我怎样才能减少电子装置内散热器的质量,同时提高冷却速度?

在设计探索过程中,主要分为两大类:性能评估和设计优化。性能评估通过预定义的一组条件运行产品,以了解关键参数对产品性能的影响。在设计优化中,优化算法自动确定输入条件,针对特定的目标对产品进行改进。由于这两个类别提供了不同种类的信息,一个建设性且有效的设计探索过程通常是两者的结合。

在STAR-CCM+中,Design Manager允许自动化产品的设计探索过程。为了进行性能评估和设计优化研究,Design Manager在STAR-CCM+中控制各自仿真的执行。下图概述了STAR-CCM+的设计探索过程:

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STAR-CCM+中每次设计探索的起点都是一个模拟文件,该文件为设计探索提供必要的输入和输出,在这个参考模拟文件中应该定义:

l   允许Design Manager修改的设计参数和全局参数。

l   提取仿真结果并定义工程目标和约束条件的报告。

l   用于设计分析的场景和绘图。

目前,可供选择的设计研究类别如下:

l   性能评估:手工分析、参数扫描

l   设计优化:单目标优化、多目标优化(Pareto)、DOE优化、随机分析

Design Manager支持在一个Design Manager项目中进行多个设计研究。此外,Design Manager支持自动化完成一系列的设计研究,其中一个研究的结果决定下一个研究的设计空间。Design Manager提供各种设置来控制设计研究的进程和计算资源。设计研究可以在本地机器或高性能集群上顺序或并发地、串行或并行地运行其设计。对于集群运行,Design Manager提供了预分配模式,该模式在队列中为研究保留所需的资源,设计管理器控制设计研究工作在保留资源内进行。

当运行特定的设计时,Design Manager以批处理模式启动STAR-CCM+,并修改相关的仿真设置。在运行期间,Design Manager检查运行的设计的状态,当设计完成时,记录输出。在运行后,各种后处理功能允许分析设计研究的结果。

1.2.5与CAE软件交互

STAR-CCM+可以将其他计算机辅助工程(CAE)工具集成到仿真中。基本的导入和导出功能允许用户使用外部几何、表面和体网格数据,以及从STAR-CCM+模拟中导出此类数据。因此,用户可以将许多外部文件格式和CAE模型合并到模拟中。

一个更先进的集成CAE软件与STAR-CCM+的方式就是耦合。该功能允许用户使用STAR-CCM+获取解决方案的一部分,并使用其他CAE软件获取解决方案的另一部分。通过将两个CAE软件耦合在一起,在仿真过程中以指定的时间间隔在两个CAE软件之间传递解数据,可以得到整个模型的解。

STAR-CCM+提供了两种耦合方法:基于文件的耦合(通过存储在计算机磁盘中的文件在CAE软件之间交换数据)和联合仿真(在同时运行STAR-CCM+仿真和其他CAE软件仿真时自动交换数据)。

基于文件的耦合非常通用,可以用于大多数类型的耦合模拟。尽管该过程可以通过脚本自动执行,但本质上是通过STAR-CCM+接口手动执行耦合步骤。协同仿真允许STAR-CCM+与以下软件进行数据交换:

l   STAR-CCM+(两个STAR-CCM+仿真的协同仿真)

l   Simcenter Amesim

l   有限元分析软件(Abaqus)

l   GT-SUITE

l   WAVE

l   RELAP

l   Reacting Channel (DARS中的一维塞流反应器)

l   Isight

对于使用一维软件的联合仿真(即使用GT-SUITE、Simcenter Amesim、WAVE和RELAP),如果界面主要是一维的,耦合效果最好,因为这将减少由于平均而产生的误差。每种耦合技术的可用方法取决于与STAR-CCM+耦合的第三方软件。