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STAR CCM 基础培训教程 V2 02 009 所属 CDAJCHINA 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 1 1STAR CCM 是什么 1 2STAR CCM 求解问题的过程 1 3STAR CCM 的工作界面 1 4现有的网格功能 1 5现有的物理模型 1 1STAR 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 makestheTourdeFrancelessofaDrag 1 2STAR CCM 求解问题的过程 准备网格 选择物理模型 输入模型 设定边界条件 设定初始条件 运算 后处理 1 3STAR CCM 的工作界面 STAR CCM 的工作界面 workspace 如下 1 4网格功能 Version2 02 009 和其他网格生成软件的协调性可以输入来自以下网格 pro STARGridgenFluentGambitSTAR CDICEM可以输出到pro STAR进行后处理 面网格面网格工具 SurfaceremesherSurfacewrapperHolefillerEdgezipper特征线提取和编辑工具 体网格3种体网格模型 tetrahedralpolyhedraltrimmed边界层网格模型 prismlayer精细网格调节 Volumesources全局或局部参数设置 网格演化Transform 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 表面几何输入可以导入的面网格或几何 dbs pro STARsurfacedatabasemeshfile inp pro STARcell vertexshellinputfile nas NASTRANshellfile pat PATRANshellfile stl Stereolithographyfile 1 5现有的物理模型 Version2 02 009 流动和能量无粘 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 基本模型空间二维l轴对称三维时间稳态显式非稳态隐式非稳态运动运动参照系模型 刚体运动模型 辐射Surface to surfaceDiscreteordinate 湍流Spallart AllmarasK EpsilonK Omega雷诺应力输运方程壁面处理 Lowy Highy Ally 壁面距离 Exact Approximate 边界层转戾 prescriptiveboundary layertransition 燃烧EddyBreakUp EBU PresumedProbabilityDensityFunction PPDF adiabaticandnon adiabatic Chap2 STAR CCM 网格功能 2 1面网格2 1 1SurfaceWrapper2 1 2SurfaceRemesher2 1 3特征线2 1 4修补工具 holefiller edgezipper 2 2体网格2 2 1Polyhedralmesher2 2 2Tetrahedralmesher2 2 3Trimmer2 2 4prsimlayermesher2 3模型的演化2 4界面的处理 2 1 1surfacewrapper 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 1surfacewrapper的属性选项 Surfacewrapper的属性有3个选项 DocurvaturerefinementDogapclosureDoproximityrefinement缺省情况下 只有Docurvaturerefinement打开 curvaturerefinement gapclosure proximityrefinement在附录中有介绍 2 1 1 2surfacewrapper的全局 global 设定 使用surfacewrapper时 有如下的全局控制参数 basesize gapclosuresize surfacecurvature Pts circle surfaceproximity SearchFloor Pointsinagap surfacesize wrapperfeatureangle andwrapperscalefactor 解释 2 1 1 3surfacewrapper区域 region 设定 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 volumeofinterestspecification contactprevention smallestwrappingvolume其中体积指定 volumeofinterestspecification 有如下四个选项 external largestinternal seedpoint nthlargest Largestinternal external Seedpoint Nthlargest 解释 有关区域Region和边界 boundary 的概念见附录 2 1 1 4surfacewrapper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 customgapclosuresize customsurfacecurvature customsurfaceproximity customsurfacesize 解释 2 1 2surfaceremesher 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 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 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 1surfaceremesher的属性选项 Surfaceremesher的属性有两个选项 DocurvaturerefinementDoproximityrefinement缺省情况下 两个选项都打开 curvaturerefinement proximityrefinement在附录中有介绍 2 1 2 2surfaceremesher的全局 global 设定 使用surfaceremesher时 有如下的全局控制参数 basesize surfacecurvature Pts circle surfacegrowthrate surfaceproximity SearchFloor Pointsinagap surfacesize 解释 2 1 2 3surfaceremesher边界 boundary 设定 在区域 region 这一级 remesher没有控制选项 在边界 boundary 这一级 有如下四个控制参数 customsurfacecurvature customsurfaceproximity customsurfacesize customizesurfaceremeshing 解释 2 1 3特征线 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 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 freeedges 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 特征线可以按照如下方式手动添加 2 1 3 3编辑特征线 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 补洞 holefiller 缝合边 edgezipper 2 1 4 1补洞 holefiller 2 1 4 2缝合边 zippingedge 2 2体网格 STAR CCM 有三种体网格模型 tetrahedralmesherpolyhedralmeshertrimmer对以上3种网格模型 都可以同时使用prismlayermesher 以便在近壁区域产生棱柱状边界层网格 使用volumesource 包括长方体 球体 圆柱体 圆锥体 可以对网格密度进行控制当解析结果存在时 生成新的网格后 解析结果会自动映射到新的网格上 2 2 1polyhedralmesh 使用polyhedralmesher产生的网格如下 2 2 2tetrahedralmesh 使用tetrahedralmesher产生的网格如下 2 2 3Trimmedmesh 使用trimmer产生的网格如下 2 2 4prismlayermesh 边界层网格有如下控制参量 边界层层数 边界层厚度 边界层分布 三种方法任选其一 stretchingfactornearwallthicknessthicknessratio Stretchingfactor 相邻两层厚度之比Nearwallthickness 最靠近壁面那一层的厚度Thicknessratio 最外层和最内层厚度之比 2 3模型的演化 2 3 1三维网格转化二维网格2 3 2针对区域 region 的演化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2 3 3针对边界 boundary 的演化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2 3 3 4边界的投影 2 3 1 三维网格转化二维 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 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 可以通过用户场函数来对区域进行分割 例如通过Tools Fieldfunctions newfunction 建立名为UserFieldFunction1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 splittingnon contiguousboundaries splittingboundariesbyangle splittingbyfunction splittingbypatches splittingbyfeaturecurves 2 3 3 4边界的投射 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 由两条边界创建一个界面将一条边界转化为界面界面可以用来 创建baffle或porousbaffles 创建周期性边界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 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 这条边界 boundary 会自动生成一份拷贝 一个in place类型的交界面会自动创建 Chap 3STAR CCM 计算设定 3 1物理模型3 2边界条件3 3初始条件3 4Solver参数3 5监控 monitor 设置3 6终止判据 3 1物理模型 3 1物理模型 续 3 2边界条件 STAR CCM 使用如下的边界条件 velocityinlet symmetryplane wall stagnationinlet pressureoutlet massflowinlet free stream andflow splitoutlet 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 使用定值 使用场函数使用列表数据 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 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 定义场函数选择该变量指定方式为FieldFunction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 0 3 3 3通过列表数据指定 步骤 读入列表数据选择指定方式为Table 选中已读入的table数据 1 2 3 3 4Solver参数 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 残差监控 residualmonitors 基于Report的监控 report basedmonitors 3 5 1残差监控 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 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 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 使用自动生成的终止判据稳态非稳态使用基于监视 monitor 的终止判据最大值最小值渐进值 3 6 1使用自动生成的终止判据 稳态MaximumSteps StopFile 非稳态MaximumInnerIterations MaximumPhysicalTime MaximumSteps andStopFile 解释 3 6 2基于监视值的终止判据 相对于设置迭代步数 更有意义的方法是设置基于监视值的终止条件 例如限定残差最小值 或是监控某个物理量 例如阻力系数和升力系数 是否达到稳定 有3种限制方法 最小值 minimum 最大值 maximum 渐进值 asymptoticlimit 3 6 2 1使用最大 最小值 缺省情况下 基于monitor的终止条件均采用最小值限制 选择最大或最小值限制后 可在属性栏设置指定的数值 3 6 2 2使用渐进值 使用渐进值限定 asymptoticlimit 的方法可以让我们监视某个变量是否达到稳定 如在给定区间 如10个迭代步数 的最大变化量 Max Min 小于某个数值 则计算终止 Chap 4STAR CCM 后处理 4 1显示几何4 2显示标量4 3显示矢量4 4显示流线4 5显示x y图 4 1显示几何 操作 Scenes NewScene Geometry在属性栏可控制不同的显示模式 如显示网格 特征线 轮廓线等 4 2显示标量 操作 Scenes NewScene Scalar在属性栏可控制标量的显示 4 3显示矢量 操作 Scenes NewScene Vector在属性栏可控制矢量的显示缺省情况下显示的是速度场 但是其它矢量场也可以显示出来 4 4显示流线 显示流线的步骤 创建一个新的Scene创建一个新的derivedpart 操作 DerivedParts New Streamline 这样一个新的streamline节点会出现在该Scene下 可以在属性栏控制显示效果 lines ribbons tubes 1 2 3 4 5显示X Y图 显示X Y图的步骤 右击Plots 选择NewPlot XYPlot 选择数据所在的part 如某个截面 选择X Y轴的类型 选择函数名称 2 1 3 Chap 5STAR CCM 其他工具 tools 5 1注释5 2局部坐标系5 3场函数5 4table5 5用户子程序5 6Volumeshapes 5 1使用注释 注释是什么注释就是用户想要增加在图形里面的文字或图片 3D图形 2D图形 5 1 1添加注释 添加注释的步骤 右击Annotations节点 选择New SimpleText出现新的节点 user1 在属性栏进行定义 将定义好的注释拖到scene图形中 1 2 3 5 2局部坐标系 局部坐标系可以在全局坐标系的基础上定义 可以是笛卡尔 圆柱或球形坐标系 局部坐标系经常用来定义边界条件和初始条件 例如 提供一个旋转进口的速度剖面 提供一个旋转区域的速度 5 2 1创建局部坐标系 在Tools节点 CoordinateSystemsnode New CartesianCoordinateSystem 在属性栏进行定义 5 2 2显示局部坐标系 将创建好的局部坐标系节点 拖 到Scene图形窗口 见1 或是 拖 到该Scene节点 见2 1 2 5 3用户场函数 STAR CCM 可以让用户定义自己的场函数 可以是标量场或矢量场 可以手动创建或是在已有场函数的基础上定义定义用户场函数的语法采用C语言子集 如果出现语法错误 在输出窗口有相应提示 例如 Position 0 1 1 0 Time 0 01 1000 300 70000 Time 5 3 1定义场函数 在Tools节点 选择FieldFunctions NewFunction 在属性栏对函数进行具体定义 对函数进行定义 5 3 2引用已有函数 Temperature Velocity Position 0 Velocity 0 定义用户场函数时经常要引用已有的函数 5 3 3userfunction示例 体积份数初始分布 Position 0 1 1 0边界上的温度随时间的变化 0 1秒之前从300K线性上升到1000K Time 0 01 1000 300 70000 Time采用 X Y Z 的形式定义一个管道的初始速度场 以X 4为分界面 在大直径截面上的速度为10 在小直径截面上速度为2 Centroid 0 4 2 10 0 0 5 4Table STAR CCM 里的Table意指包含多个变量的表状数据我们可以 读入table数据 例如来定义边界条件和初始条件从流场中抽取table数据 例如可以用来作为其他模拟时的边界条件或初始条件 STAR CCM 可以抽取2种基本类型 xyzinternaltablesradialinternaltables STAR CCM 可以读入3种基本表格类型 tab csv xy Pressure X Y Z 4 575748e 000 8 418948e 0032 498270e 0022 594989e 0047 556490e 001 1 588532e 0022 644022e 0028 548013e 003 Type xyz DataSets X Y U SaNut X 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 Y 1 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 0 U 0 040 1230 2090 2910 3590 4090 4450 4710 4910 5090 523 SaNut 1 14e 053 51e 056 078e 058 84e 050 000120 000150 000190 000220 000260 000300 00035 tab csv 4 0350 8604 3 3860 8584 2 4870 84544 2 0170 81856 1 6950 78999 0 9370 67503 0 7610 64874 0 4550 5848 0 2880 56893 0 110 56395 xy 5 4 1读入table 右击Table节点 选择New File 5 4 2创建table 步骤 创建一个新的空table XYZ或RInternal 指定数据所在的part 指定抽取的变量 抽取数据 这样 新的table数据创建出来 可以用于当前模拟或是输出到外部文件 1 21 4 3 5 5用户子程序 usercode Usercode可以让用户自己定制函数 函数可以用C C 或Fortran写成 Usercode采用用户库 userlibrary 的形式出现 每个用户库包含一个 或多个 用户函数 userfunction 和一个注册函数 libraryregistrationfunction 一旦用户库 userlibrary 被导入 其定义的用户函数会出现在合适的下拉菜单 drop downlists 中 以备使用 Usercode一般用来指定边界 boundary 或区域 region 上的值的分布 例如初始条件 边界条件 源项 用来定义标量场或矢量场的Usercode 其功能和FieldFunction差不多 但是相比FieldFunction Usercode显得更加强大 可以实现更复杂的功能 LoadingaNewUserLibrary 5 5 1创建用户子程序的步骤 用户函数的书写必须遵守C模版 Ctemplate 或Fortran模版 Fortrantemplate 的规范 每个定义的用户函数都要加至注册函数中 libraryregistrationfunction 以实现注册 编译用户函数和注册函数 可以得到最终所需的用户库 userlibrary 5 5 2用户函数模版 C模版 include Real h voidname result intsize args Fortran模版subroutinename result size args useStarRealModinteger intent in size 5 5 3用户函数示例 C 以下用户函数设定边界上的温度梯度为零 include Real h Setboundarytemperatureequaltocelltemperature voidzeroGradT Real result intsize int fc 2 Real T inti LoopthroughallentitiesapplyingT boundary T cell fc i 0 isthecellnexttoi for i 0 i size i result i T fc i 0 5 5 3用户函数示例 Fortran 以下用户函数设定边界上的温度梯度为零 CSetboundarytemperatureequaltocelltemperaturesubroutinezeroGradT result size fc T useStarRealModimplicitnoneinteger intent in sizereal StarReal intent out result size integer intent in fc 2 real StarReal intent in T integeriCLoopthroughallentitiesapplyingT boundary T cellCfc 1 i isthecellnexttoidoi 1 sizeresult i T fc 1 i enddoreturnend 5 5 4注册函数 Libraryregistrationfunctions 每个用户库必须包含一个注册函数 uclib forC 或者uflib forFortran 当用户库被加载时 STAR CCM 会首先调用注册函数 以便确认用户库里究竟定义了哪些用户函数 以及它们的返回值的类型是什么 注册函数 Libraryregistrationfunctions 也须遵守C模版或Fortran模版的规范 5 5 5注册函数示例 C include uclib h voidzeroGradT Real int int Real voidinitVelocity Real int CoordReal voidsutherlandViscosity Real int Real voiduclib Registeruserfunctionshere ucfunc zeroGradT BoundaryProfile ZeroGradientTemperature ucarg zeroGradT Face FaceCellIndex sizeof int 2 ucarg zeroGradT Cell Temperature sizeof Real ucfunc initVelocity RegionProfile InitialVelocity ucarg initVelocity Cell Centroid sizeof CoordReal 3 ucfunc sutherlandViscosity ScalarFieldFunction SutherlandViscosity ucarg sutherlandViscosity Cell Temperature sizeof Real 5 5 5注册函数示例 Fortran TheequivalentlibraryregistrationfunctioninFortran90couldbecodedinuflib f subroutineuflib useStarRealModimplicitnoneCRegisteruserfunctionshereexternalzeroGradT initVelocity sutherlandViscositycalluffunc zeroGradT BoundaryProfile ZeroGradientTemperature callufarg zeroGradT Face FaceCellIndex 2 StarIntSize callufarg zeroGradT Cell Temperature StarRealSize calluffunc initVelocity RegionProfile InitialVelocity callufarg initVelocity Cell Centroid 3 CoordRealSize calluffunc sutherlandViscosity ScalarFieldFunction SutherlandViscosity callufarg sutherlandViscosity Cell Temperature StarRealSize returnend 5 5 6创建用户库 UserLibrary 用如下的命令编译得到用户库 5 6Volumeshapes Volumeshapes可以让用户定义四种不同类型的封闭体积 即块状 圆锥 圆柱 球体 以便进行网格细化 或粗化 Volumeshapes可以手动输入数值创建或使用交互式工具 可以使用不同类型的Volumeshapes Volumeshapes之间可交叉 5 6 1创建Volumeshapes 球状 Tools VolumeShapes NewShape sphere 5 6 2创建Volumeshapes 块状 Tools VolumeShapes NewShape brick 5 6 3创建Volumeshapes 柱状 Tools VolumeShapes NewShape cylinder 5 6 4创建Volumeshapes 圆锥 Tools VolumeShapes NewShape cone Chap 6一个简单的例子 Y tube 启动STAR CCM 在UnixandLinux机器上 输入 须事先正确设置PATH环境变量 starccm 在Windows2000 XP机器上 从Start菜单打开程序 新建一个Simulation simulation是什么 使用Client和Server 导入网格 STAR CCM 在输出栏显示反馈信息 在Region节点下会出现一个新的region Region1 查看表面网格 在属性栏选中Mesh 可以显示网格 创建特征线并补洞 选中特征线节点 右击然后选择FillAllHoles 在补洞之前 必须将洞口周围的自由边作为特征线创建出来 分割边界 必须将名为FilledHoles的边界分开 以便定义不同的边界条件 设定边界名称及类型 设定如下的边界名称及类型 选择网格模型 设定总体网格参考值 设定如下的总体网格控制参数 运行SurfaceRemesher 在工具栏 点击 生成面网格 按钮 生成新的面网格 网格数 785154 运行PolyhedralVolumeMesher 多面体网格数 123874 在工具栏 点击 生成面网格 按钮 生成新的面网格 选择物理模型 在PhysicsModelSelection对话窗口 依次选择如下模型 设定初始条件 设定如下初始条件 在湍流指定方式节点 选择K Epsilon指定方法 设定边界条件 设定如下边界条件 设定Solver参数和计算终止条件 使用缺省的求解器参数设定最大迭代步数 MaximumSteps 为250 创建Report 创建基于Report的监控 Monitor 和显示 Plot 进行计算 在计算工程中 可以随时点击 Stop 按钮终止计算 然后点击可继续计算 点击工具栏上的 Run 按钮开始计算 创建DerivedPart 一个截面 勾上PlaneTool可以显示交互式定义工具 以方便截面的选取 定义截面完成后 一个新的节点出现在DerivedParts下 显示标量云图 选择想要的变量 显示速度矢量 改变网格 已有的结构会自动映射到新的网格上 在网格模型选择窗口 反选Polyhedralmodel 然后选择Trimmermodel 点击重新生成体网格 进行更多迭代 设定最大迭代步数为500 点击进行更多迭代 Y tubeCase 总结 启动STAR CCM 新建一个Simulation导入网格查看网格表面创建特征线并补洞分割边界设定边界名称及类型选择网格模型设定总体网格参考值运行SurfaceRemesher运行PolyhedralVolumeMesher选择物理模型设定初始条件设定边界条件设定求解器参数和计算终止条件创建Rport 创建基于Report的监控 Monitor 和显示 Plot 进行计算创建DerivedPart 一个截面显示标量云图显示速度矢量改变网格进行更多迭代 Chap 7附录 7 1区域和边界的概念7