一个十年的CFD仿真工程师，是这样评价STAR-CCM+

STAR-CCM+，之前是STAR-CD，最初由帝国理工学院CFD研究小组的研究人员在20世纪80年代末开发。随着时间的推移，这些贡献者和其他人创立了CD-Adapco公司，目的是将CFD普及化。在2016年被西门子AG收购时，CD-Adapco的年收入约为2亿美元，年复合增长率为12%。当时他们的客户基础约为3200个，平均每个客户收入为6.5万美元。STAR-CCM+是汽车工业多物理场的领先提供商，占CD-Adapco收入的52%。现在，STAR-CCM+是一个计算辅助工程（CAE）解决方案，用于解决流体和固体连续介质中的多学科问题，所有这些都在一个集成的用户界面中完成。

 

1-基本界面和工作流程

STAR-CCM+用户界面

工具被组织以简化从CAD创建或导入、网格划分、设置、仿真到处理结果的工作流程。工作流程组织是在左侧的“仿真”树从上到下，而系统级命令通过顶部的工具栏访问。几何体是通过CAD导入（.stl, .x_b, .step, .iges）启动的，使用内置的CAD建模工具创建，或者从第三方工具导入网格。还可以直接导入来自领先的3D建模程序的实体模型，包括SolidWorks、Inventor、NX、Pro/ENGINEER、Rhino和CATIA，只需额外购买一个翻译插件。一旦导入，几何体被归类为“部件”，STAR-CCM+的工作流程鼓励“基于部件的操作”。也就是说，所有未来的操作，如应用表面网格或指定边界条件，都是参考原始部件执行的，而不是在后续步骤中创建的连续体体积区域（网格）。基于部件的工作流程确保了当用修改后的几何体替换部件时，大部分仿真设置不需要重复。

 

2-物理建模能力

STAR-CCM+附带了一个常见材料数据库，分为固体、液体、气体和电化学种类，以及广泛的湍流建模选项，包括RANS模型、雷诺应力输运模型、分离和大涡模拟模型，以及层流到湍流过渡模型。STAR-CCM+在多相物理建模能力方面引领行业，包括欧拉多相流（气体、液体或固体）、颗粒相模型、群体平衡模型（气泡尺寸分布）、壁面和体积沸腾模型、基于体量的流体（VOF）表面跟踪模型、流体膜模型、分散和混合物多相模型、拉格朗日相模型，以及用于大量相互作用离散对象的离散元素建模（DEM）模型。可以使用移动参考框架和移动和变形网格来捕捉流体或固体运动对彼此的影响。运动可以由用户定义，也可以由动态流体体相互作用（DFBI）定义。反应化学模型包括能够模拟固体、液体或气体燃料，预混或非预混燃烧，表面反应，颗粒反应和煤炭燃烧和聚合。燃烧模型包括火焰模型和反应物种输运模型，如涡流破碎模型。可以通过用户输入或通过STAR-CCM+与第三方工具（如Chemkin）的接口来定义复杂的化学。还包括电化学、等离子体动力学、电磁学、气动声学和计算流变学模型。

最近增加了一个有限元求解器，允许基本的固体力学建模，包括静态、动态和准静态分析，线性或非线性几何，六面体、四面体、楔形和金字塔类型的元素，各向同性和各向异性线性弹性材料，以及在点、表面和体上的各种载荷和约束。

软件分发时附带了一整套验证和验证测试用例，可以用于物理模型验证和软件/硬件实施验证。

 

3-CAD清理和网格划分

STAR-CCM+基于部件的工作流程

这里的屏幕截图显示了一些用于模拟电子外壳自然对流驱动冷却的预处理元素，包括通过外壳壁的耦合热传递。已经导入了两个部件，一个代表围绕外壳的空气的盒子和外壳本身。远场空气边界，显示为透明，将被分配非壁边界条件，在执行布尔减法之前，已经从其余空气表面中分离出来，减去后者。这个操作定义了一个新的部件，这里称为“AirMinusSolids”，然后将其提升为“区域”并分配给相关的物理连续体。“外壳”部件也是如此。然后为每个部件/区域关联定义网格操作。

对于那些3D实体模型对于CFD模型工作流程不太理想的时刻，STAR-CCM+提供了几种工具来帮助诊断和修复几何体。导入几何体时可以打开的一个有用选项是“检查和修复无效体”，它自动解决一些产生无效几何体的简单但常见问题，如非常接近但不重合的表面、孔和穿孔面。另一个有用的工具是“表面包装器”工具，当导入具有非常小或有问题的特征的部件时，如孔或交叉点，这些对于感兴趣的物理并不重要。表面包装器工具从质量差的CAD模型开始提供封闭的、流形的、非交叉的表面。然后使用结果部件创建与物理连续体相关的体积网格，就像典型的导入部件一样。

STAR-CCM+特别擅长处理的另一个过程是网格生成。通常，部件表面首先重新网格化，以提高最终体积网格的质量，并指定需要更高网格密度的几何体。体积网格可以应用各种控制和功能，并且可以在串行或并行模式下执行，前提是用户有并行硬件和软件许可资源。三种主要的网格模型类型是四面体、多面体和修剪（六面体）。四面体网格通常，处理速度快

且可靠，允许复杂几何体以更少的错误进行网格化，但结果的准确性较低。多面体网格，据称，为复杂的网格生成问题提供了平衡的解决方案，同时比四面体网格具有更高的准确性。修剪单元网格通过主要使用六面体体积和最小的偏斜和与流动对齐来产生最高质量的网格。

STAR-CCM+高密度棱柱网格划分边界层

所有三种类型的网格都可以通过将棱柱网格模型作为体积网格划分过程的一部分来包含棱柱近壁层（如下图所示）。典型的表面和体积网格控制包括默认单元大小、最小和最大单元大小、单元生长速率、棱柱层厚度、棱柱层数和允许的质量指标。

 

4-仿真

在耦合流求解器中，相关方程使用伪时间方法同时求解。这种方法对于具有主导源项的流动，如旋转或浮力驱动流动以及高度可压缩流动，是有利的。耦合隐式求解器控制隐式空间积分在稳态和非稳态分析中的解决方案更新，使用耦合代数多重网格方法。如果需要，耦合显式求解器可以使用Runge-Kutta多阶段方案进行显式积分。由于其数值和数据存储效率，分离求解器通常更适用于不可压缩或轻度可压缩流动，而不是耦合求解器。

随着每个新版本的发布，西门子提供了一套来自SIMCENTER STAR-CCM+质量保证过程的验证测试用例。这种广泛的流程包括一个名为STAR-Test的内部测试系统，该系统用于软件的开发和发布构建。有了这套案例，用户有机会验证他们收到的软件是否能够在您使用的平台上复现相同的结果（验证），同时也提供了对建模特定物理用例时预期准确性的理解（验证）。每个案例都附带自己的文档，描述了与之比较的实验设置以及仿真结果的相对准确性。据了解，STAR-CCM+是唯一一个实现了ASME核质量保证-1合规性（ASME Nuclear Quality Assurance -1 compliance）的多物理场仿真工具。

 

5-后处理

在STAR-CCM+中，所有常见的CFD显示器都是可用的，包括标量、向量和流线显示器，可以显示在表面或体积上。然而，一些专业工具确实使STAR-CCM+从竞争中脱颖而出。首先，一个名为体渲染的工具可以用来显示在3D域中定义的半透明、体积对象。这些重新采样的体积或体素允许用户通过为构成体积基础定义的感兴趣数量的等值面分配不透明度来“查看流内部”。将体渲染与STAR-CCM+的流畅动画录制功能结合起来，可以制作出时间依赖现象的真实可视化，如下所示的水泵仿真。

谈到时间依赖仿真，STAR-CCM+允许通过所谓的解决方案历史文件，在仿真运行时保存选定的数据。仿真完成后，加载解决方案历史文件，用户可以查询其状态进行后处理。除了解决方案数据，每个仿真历史文件还可以包含体积网格的副本、独立的边界表面或两者兼有。以您需要的时间分辨率记录相对轻量级的仿真历史文件，允许用户事后创建他们想要的任何可视化的动画，而无需事先直觉地确定最具吸引力和洞察力的动画以静态图形文件的形式记录。

我们期待未来使用的两项新可视化功能是STAR-CCM+虚拟现实（VR）技术和剧本功能。VR提供了它听起来会提供的东西，即在仿真结果内部移动的机会，这有可能提供更有用的信息。剧本功能就像典型的动画一样。有了剧本，动画录制不再受单一可视化的限制，而是可以在录制过程中动态变化。诸如正在可视化的数量、观察角度、对象透明度等属性可以在录制过程中变化，并通过前面提到的仿真历史文件与时间依赖数据的时间步进同步。

 

6-总结

我们没有发现西门子STAR-CCM+的许多缺点。事实上，它通过提供全套的多物理场能力、在现代基于Java的界面内简化的工作流程、一流的网格划分能力和富有洞察力、有意义和令人印象深刻的后处理，每天都让我们作为咨询工程师的生活变得更轻松，而无需获得编程博士学位的先决条件。