STAR-CCM+ 可对诸多物理现象进行建模,包括流体机制、固体力学、热传递、电磁学以及化学反应。 在典型长度远远大于原子间距离的宏观尺度下,可以忽略物质的离散结构,且材料可以建模为连续体。 描述连续体的物理特征的数学模型根据各种表示守恒原理的基本定律推导而出。
可以使用欧拉方法或拉格朗日方法来表示连续体的守恒定律。 在欧拉方法中,给定的体积表示材料可流过的空间部分。 在拉格朗日方法中,给定的体积表示体中的材料部分,以便观察者能够在材料运动通过空间时进行跟随。
拉格朗日和欧拉描述在 STAR-CCM+ 中都可以采用,具体看哪个最便于对特定物理场进行建模。 对于离散相,
STAR-CCM+ 会让用户进行选择,因为它同时实施欧拉和拉格朗日描述来描述相似现象。
STAR-CCM+ 中表示的大多数物理源自一组核心的基本定律。 在此采用微分形式介绍这些基本定律,针对极微小的控制体积。 在理论指南的后续章节中,会将这些定律展开成 STAR-CCM+ 采用的数值解方法。
力学
连续体机制用于研究连续体响应机械力的行为。 用于控制流体和固体的力学特性的基本定律为质量、线性动量、角动量和能量守恒。
电磁
电磁学研究连续体响应电磁场的行为。 用于描述连续体的电磁行为的基本定律为 Maxwell 方程和电荷守恒。
电荷守恒
控制体积内的电荷守恒由连续性方程给出
本构定律
大多数情况下,数学模型的偏微分方程不是闭合方程组,即,未知物理量的数量超过方程的数量。 要使方程组闭合,需要向数学模型添加额外的方程。 这些额外的方程称为本构定律,取决于所研究的材料。
离散与求解
STAR-CCM+ 使用离散化方法将连续方程组转换为离散代数方程组,从而可使用数值方法求解。
离散化方法遵循以下常规过程:
•将连续域分为有限数量的子域(网格单元/单元)
•将未知量存储在网格的特定位置(节点、网格单元形心、面形心或边)
•采用微分方程的积分或弱型进行空间离散化。 离散化时间导数后,将生成需要在每个时间步中求解的耦合代
数方程组(通常为非线性)
STAR-CCM+ 使用有限体积法或有限元方法离散化连续方程,具体取决于数学模型。
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