作者：胡坤
转自公众号：CFD之道
发表日期：2019-11-06
关键词：
本文从软件功能角度描述了STAR CCM 与ANSYS Fluent。
原文地址：https://www.resolvedanalytics.com/theflux/comparing-cfd-software-part-4-comprehensive-cfd-software-packages
注：
- 本文为翻译档，并未经过仔细校正，英文基础不错的强烈建议阅读原文。
- 并不意味着认同文中的所有观点。
- 翻译工具：网易有道词典翻译主体 人脑简单校正。
本期比较的软件为：STAR CCM vs. ANSYS Fluent
蝙蝠侠对超人，魔术对伯德，扬基对红袜，微软对苹果，法拉利对兰博基尼，可口可乐对百事可乐，你懂的。这个世界充满了顶级竞争对手。在CFD模拟领域也不例外，Fluent和STAR-CCM ，以及之前的STAR-CD，已经在CFD领域争夺市场领导地位超过了20年。一个人对魔法或鸟类的偏爱可能是一种观点，但是讨论他们自称是他们所做的事情中最好的是有益的。我们希望以下关于Fluent和STAR-CCM 的讨论对花时间阅读此文的人有所帮助。
1 Siemens Simcenter STAR-CCM
STAR-CCM ，以及之前的STAR-CD，最初是由帝国理工学院CFD研究小组的研究人员在20世纪80年代后期开发的。随着时间的推移，这些贡献者和其他人创建了名为CD-Adapco的公司，旨在将CFD引入大众。在2016年被西门子公司收购时，CD-Adapco的年收入约为2亿美元，年复合增长率为12%。当时，他们的客户群大约有3200人，平均每位客户的收入为6.5万美元。STAR-CCM 是汽车行业多物理的领先供应商，贡献了CD-Adapco 52%的收入。STAR-CCM 现在是一个计算辅助工程(CAE)解决方案，其在一个单一的集成用户界面中解决流体和固体连续介质力学中的多学科问题。
1.1 基本接口及工作流程
STAR-CCM 提供了一个非常干净、现代的界面，这是2005年对原有的STAR-CD软件进行全面翻修的结果。STAR-CCM 可用于Linux和Windows操作系统，在界面上没有重大区别。用户可以在这个单一的界面中访问所有的预处理、模拟和后处理任务。所有进程的批处理命令也可以通过命令行或用Java编写的脚本实现。
通过网格化、设置、模拟和结果处理，组织工具来简化CAD创建或导入的工作流。在左侧的模拟树中，工作流组织是自上而下的，而系统级命令是通过顶部的工具栏访问的。几何图形是由CAD import(.stl，.x_b，.step，.iges)，通过CAD创建使用内置的CAD建模工具，或网格导入从第三方工具。从领先的3D建模程序，包括SolidWorks，Inventor，NX，Pro/ENGINEER，Rhino和CATIA直接导入实体模型也可能与额外购买的转换插件。一旦导入，几何图形就被归类为部件。也就是说，所有后续的操作，例如生成表面网格或指定边界条件，都是参照原始部件来执行的，而不是在后续步骤中创建的网格。基于部件的工作流确保在使用修改的几何图形替换部件时，大多数模拟设置不需要重复操作。
1.2 物理建模能力
STAR-CCM 包含了广泛的物理模型和方法，用于模拟单相和多相流体流动、传热、湍流、固体应力、动态流体相互作用、气动声学以及相关现象。通过定期发布不断引入新特性。核心物理建模能力包括无粘流、层流或湍流、牛顿或非牛顿粘度、不可压缩或可压缩流、多组分混合物、多相混合物、多孔界面或体积、被动标量、定常或非定常流、理想或真实气体状态定律方程、传导、对流、辐射、反应流和运动。
STAR-CCM 提供了一个包含固体、液体、气体和电化学种类的常用材料的数据库，并提供了广泛的湍流建模选项，包括RANS模型、雷诺应力传输模型、分离涡和大涡模拟模型以及层流到湍流转捩模型。STAR-CCM 引领行业在多相物理建模能力包括欧拉多相流(气体、液体或固体)，颗粒相模型、颗粒群平衡模型(气泡大小分布)，壁面沸腾及体积菲特模型，基于体积的流体(受到)的表面跟踪模型，液膜膜模型、分散和多相混合模型，拉格朗日相模型和离散单元模型(DEM)模型对大量离散的对象进行交互。移动参考系和移动变形网格都可以用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，也可以由动态流体相互作用(DFBI)定义。反应化学模型包括模拟固体、液体或气体燃料、预混燃烧或非预混燃烧、表面反应、颗粒反应和煤燃烧和聚合的能力。燃烧模型包括小火焰模型和反应种输运模型，如涡流破碎模型。复杂的化学可以通过用户输入或通过STAR-CCM 接口与第三方工具(如Chemkin)定义。电化学，等离子体动力学，电磁学，空气声学和计算流变学模型也包括在内。
STAR CCM 最近版本增加了一个有限元求解器，可以进行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、楔形和金字塔型元素、各向同性和各向异性的线性弹性材料，以及对点、面和体的各种载荷和约束。
该软件发布了一整套验证和验证测试用例，可以分析物理模型验证和软件/硬件实现验证。
1.3 几何清理及网格划分
STAR-CCM 使得导入、修复、定义和网格化CAD部件的过程尽可能轻松。在最基本的情况下，网格化的清理包括将部分水平体和表面与适当的物理、体网格和边界条件相关联，这将是数值模拟的基础。许多基于部件的操作是可用的，例如部件转换或布尔操作。选择是在典型的3D实体建模软件中执行这些操作，还是在STAR-CCM 中执行这些操作，取决于用户的偏好。
下面的屏幕截图描述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传热。两个部分已经被导入，一个盒子代表周围的空气和外壳本身。透明显示的远场空气边界将被分配为非壁面边界条件，在进行布尔相减之前，将空气表面的其余部分分离。这个操作定义了一个新的部分，叫做airminussolid，然后提升到一个区域并分配到相关的物理连续体。附件部分也是如此。然后为每个部分/区域关联定义网格操作。
当三维实体模型对于CFD模型工作流不是很理想时，STAR-CCM 提供了一些工具来帮助诊断和修复几何图形。在导入几何图形时可以打开的一个有用选项是检查和修复无效的几何对象，这将自动解决一些简单但常见的问题，这些问题会产生无效的几何图形，例如非常接近但不一致的表面、孔洞和穿孔面。在导入具有非常小的或有问题的特性的部件(如孔或交叉口)时，另一个有用的工具是表面包面工具。当从一个低质量的CAD模型开始时，表面包面工具提供了一个封闭的、非相交的表面。结果部件被用来创建一个与物理连续体相关联的体网格，其方式与典型的导入部分相同。
STAR-CCM 处理得特别好的另一个过程是网格生成。通常情况下，零件表面首先网格重构，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形状。体网格可以应用大量的控制和特性，并且可以以串行或并行方式执行，前提是用户可以访问并行的硬件和软件许可资源。三种主要的网格模型类型是四面体、多面体和裁剪(六面体)。四面体网格，一般来说，是快速和可靠的处理，允许复杂的几何网格具有较少的误差，但结果的准确性较低。多面体网格，它声称，提供了一个平衡的解决复杂的网格生成问题，同时具有比四面体网格更高的精度。切割体网格主要利用六面体体积与最小的偏度和对齐与流动产生最高质量的网格。
