STAR-CCM 的仿真和优化能力

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本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了仿真在产品研发中的重要作用，并重点介绍了STAR-CCM这款多学科仿真和优化软件。文章详细阐述了STAR-CCM的集成化工作环境、计算精度、复杂模型多场耦合计算能力、动网格能力以及优化功能。此外，文章还通过不同类型的算例验证了计算方法的准确性，并提供了丰富的案例供读者学习。最后，文章展望了仿真的发展方向，并介绍了不同的优化方法。通过本文的介绍，读者可以更好地了解和应用STAR-CCM进行产品研发和仿真优化。

仿真是研发工作的重要工具，仿真在产品设计的最早阶段就介入其中进行设计优化和迭代，以减少物理样机数量及试验时数，可实现从概念设计到最终验证全过程驱动的产品研发，对节约研发成本和缩短研发周期及产品创新具有重要作用。

STAR-CCM 作为一门多学科仿真和优化软件，是现代软件工程技术和计算连续介质力学相结合的产物，STAR-CCM 将几何模型导入、网格划分、模型求解和后处理集成到一体化的工作环境，在单个集成包中提供全球最全面的工程物理模拟，其不仅仅是CFD求解器，还是一个完整的工程流程，实现了从CAD到后处理的整个CAE的工作流程，同时操作界面与模拟思想的良好整合使得STAR-CCM 非常方便和高效。

在接触一款新的软件时，大部分人会有两个问题：

一是计算流程的复杂度；
二是计算精度怎么样。

STAR-CCM 采用的是集成的模拟，从几何、网格、计算、后处理全在一个界面完成，避免了计算流程分散式处理带来的麻烦；CFD计算始于模型，为了获得准确的计算模型，避免读者根据教程图片自己模仿一个模型，甚至有时模型太复杂，读者无法复现出教程模型，为此，特地增加了几何建模的教程，让读者根据教程复现出的模型根教程是一样的，避免了有教程无模型的尴尬。对于计算精度，在本教程中采用了流动、换热、燃烧、多相流、运动计算等不同类型的具有试验数据的算例对计算方法进行了验证，结果表明计算结果与试验结果基本相符。对于复杂模型多场耦合的计算，STAR-CCM 的多面体网格使得网格数量大幅减少，同时多面体网格对通量计算的准确性在原理上是优于四面体网格，使得计算收敛大幅加快；多物理场耦合时，STAR-CCM 可通过物理连续体，在单个计算域中实现多个物理场的计算；也可通过多个不同的物理模型实现多个计算域的多场耦合，例如涡轮叶片的气热弹耦合计算，将模型从冷态计算至热态。在运动计算方面，STAR-CCM 的动网格能力远超其他CFD软件，其自定义了多种运动类型，可十分简便的将运动融入到计算中，例如，用来计算小位移的网格变形，计算大位移的重叠网格等，可实现各种运动的计算。STAR-CCM 另一个突出能力是其优化功能，伴随形状优化，可通过求解优化目标对设计变量的微分方程获得几何型面的敏感性，通过网格变形改变几何型面，从而获得优化模型；伴随拓扑优化，能够在设计空间根据优化目标自动构造几何，实现优化形状的自动生成；多学科多目标设计探索平台，STAR-CCM 内置了Heeds程序，采用Sherpa算法，在任何数量的设计变量，约束或目标下快速找到更好的设计方案，且优化流程自动化，无需人工干预。

对STAR-CCM 进行了介绍，首先对STAR-CCM 几何、网格、物理模型、求解器、后处理进行了详细的介绍，对其所能计算的物理类型，采用的计算方法以及数据分析方法进行了陈述。接着对STAR-CCM 的图形界面，包括菜单、工具栏、树形窗口、属性窗口、图形窗口、输出窗口进行了描述，对在计算中需要用到的一些重要概率进行了阐述。在做CFD计算时，不仅要会算，还得知道是怎么计算的。接着对CFD计算的方法进行了介绍，解释了CFD求解的是哪些方程，为什么会有湍流模型，各个湍流模型的特点以及壁面函数的处理方法等。根据不同计算特点，提供了气动、传热、燃烧、多相流、运动、固体应力等不同类型的算例，并将计算结果和试验结果进行了对比，读者在学习可累计相关的经验。仿真的发展方向为优化，提供了优化算例，介绍不同的优化方法使用方法。

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