Что такое Star-CD? Обзор программы

Пакет STAR-CD (актуально для версии 3.15a)

• Метод контрольного объема
• Неструктурированные сетки
• Подвижные сетки
• Широкий набор физических моделей
• Связь с другими САЕ пакетами

Пакет STAR-CD рассчитан на применение в рамках интегрированной САЕ среды. Основным предназначением пакета является его использование в качестве инструмента исследований, проектирования, разработки и оптимизации для задач, связанных с течениями жидкости. Список областей где возможно применение данного пакета достаточно широк: автомобильная, аэрокосмическая промышленность, электроэнергетика, строительство, электроника, судостроение, сталелитейная промышленность, химическая промышленность и др.

Для решения основных уравнений термо- и аэрогидродинамики STAR-CD использует метод контрольного объема. Компания-разработчик (Computational Dynamics Limited) имеет теснейшие связи с рядом научно-исследовательских институтов и постоянно стремится к повышению быстродействия, эффективности и точности производимого ее программно-математического обеспечения, а также к расширению спектра доступных математических моделей и улучшению гибкости используемых ал-горитмов.

Возможности создания сетки.

Различные формы ячеек - четырехгранники (тетраэдры), пирамиды, трехгранные призмы, шестигранники (гексаэдры), а также ячейки с 7 и 8 внешними гранями (так называемые усеченные или SAMM ячейки).

STAR-CD позволяет проводить расчеты на сетках, составленных из ячеек вышеприведенных форм. Все эти типы ячеек могут быть как сгенерированы, так и обработаны пре/постпроцессором PROSTAR. Сетки из ячеек типа SAMM могут генерироваться в полуавтоматическом режиме с использованием специализированного пакета SAMM (с 2001 года средства автоматической генерации сетки интегрированы в PROSTAR, соответствующий препроцессор носит название ProAM). Сущест-вует ряд коммерческих пакетов для автоматической генерации четырехгранных сеток, одним из кото-ых является ICEM TETRA.

Пакет позволяет использовать сетки различной структуры

Сетка с внутренним измельчением

Возможность работы с неструктурированной сеткой с возможностью внутреннего измельчения и произвольного сопряжения позволяет пользователю достаточно просто и эффективно создавать сетки для областей сложной геометрии.
Подвижные сетки.

Искривление существующей сетки

Произвольно проскальзывающие Удаление/добавление сетки ячеек

Движущиеся сетки позволяют моделировать агрегаты с подвижными узлами или решать задачи, в которых граница области решения изменяется во времени.

Примерами таких задач являются поршневые двигатели, агрегаты с вращающимся деталями (турбо-машины и т.п.), клапаны, насосы, транспортные средства, движущиеся в тоннелях и т.п.

Типы моделируемых течений

• Стационарные и нестационарные
• Ламинарные и турбулентные
• Ньютоновские и неньютоновские
• Сжимаемые и несжимаемые
• Среды с распределенным сопротивлением (пористые среды)
• Течения с несколькими потоками

Турбулентность можно учесть включением в уравнение Навье-Стокса моделей для определения осредненных Рейднольдсовых напряжений (RANS) или с помощью модели крупных вихрей (LES).

Возможно моделирование течений во всем диапазоне скоростей - от малых дозвуковых скоростей, до транс- сверх звуковых сжимаемых течений.

Пористые среды используются для моделирования областей, где имеются существенные рассредоточенные гидравлические сопротивления. Примерами таких задач являются химические реакторы, теп-лообменники, фильтры и т.д.

Задачи о течениях с несколькими потоками возникают при моделировании сопряженного теплообме-на между двумя жидкостями и разделяющим их твердым телом (стенкой). Примерами являются раз-личные нагреватели и теплообменники.

• Наличие теплообмена (конвективного, через теплопроводность и излучение)
• Массоперенос
• Химические реакции (включая горение)
• Естественная конвекция
• Вращение
• Дисперсные многофазные течения
• Течения со свободной поверхностью (включая кавитацию)

В пакете имеется несколько моделей горения, описывающих гомогенные реакции, управляемые химической кинетикой и/или турбулентным перемешиванием. Гетерогенные реакции на поверхности могут быть смоделированы с помощью дополнительных пользовательских подпрограмм.

Вихревые течения во вращающихся областях могут быть смоделированы во вращающейся системе отсчета. Существует возможность решения задачи с несколькими вращающимися системами отсчета, например, для моделирования установившихся течений в многоступенчатых турбомашинах.

Возможность моделирования многофазных течений позволяет решать задачи переноса тепла, массы и импульса между сплошной средой и дисперсной средой в виде частиц, пузырьков или капель.

Граничные условия

Имеется большой выбор вариантов граничных условий, которые позволяют моделировать широкий спектр реальных ситуаций:

• Заданное распределение скорости
• Выход
• Заданное давление
• Стенка
• Перегородка
• Периодическая граница
• Плоскость симметрии
• Заданные параметры торможения
• Граница, не отражающая скачки уплотнения
• Граница, не отражающая волны давления

Заданное распределение скорости (INLET), как правило, используется для описания входных границ, через которые жидкость втекает в расчетную область, но может также использоваться и для задания выходных границ, через которые жидкость покидает расчетную область.

Граничное условие для выхода (OUTLET) применяется там, где жидкость покидает расчетную область и нормальные градиенты параметров течения на границе равны нулю.

Граничные условия на стенке (WALL) предполагают условие прилипания как на неподвижной стенке, так и на подвижной стенке (т.е. можно задать скорость движения стенки). возможно также задание условия непротекания.

Перегородки (внутренние бесконечно тонкие стенки) (BAFFLE) могут быть проницаемыми (пористыми) или непроницаемыми.

На периодических границах (CYCLIC) «выходные» параметры течения на границе, через которую жидкость вытекает из расчетной области, используются в качестве «входных» параметров на парной границе, через которую жидкость втекает в расчетную область.

Граничные условия торможения (STAGNATION) используются на входных границах, где известны параметры торможения.

Для описания параллельных потоку границ, на всем протяжении которых течение является сверхзвуковым, используется граничное условие не отражающее скачки уплотнения (FREE-STREAM).

Граничные условия, не отражающие волн давления (TRANSIENT WAVE) используются для описания выходных границ областей нестационарных сжимаемых течений, чтобы предотвратить отражение волн давления обратно в расчетную область.

Граничные условия могут задаваться как постоянными по всей граничной области, так и зависящими от координат и/или времени. Эта зависимость может описываться как с помощью таблицы, так и с помощью пользовательских подпрограмм на языке FORTRAN.

PROSTAR

• Представляет собой пре/постпроцессор пакета STAR-CD.
• Современный дружественный графический интерфейс пользователя STAR GUIde.
• Возможность работы с командной строкой и файлами скриптов.
• Оперативный доступ к системе помощи и справочным руководствам.

Система STAR GUIde (игра слов: guide - гид, проводник; GUI, Graphical User Interface - графический интерфейс пользователя; Ide, IDE, Integrated Development Environment - интегрированная среда раз-работки) построена таким образом, чтобы последовательно вести пользователя по всем этапам создания модели - от построения сетки до получения решения и обработки результатов. Каждому этапу соответствует отдельная папка (например, Создание/импорт сетки, Обработка результатов), включающая в себя систему вложенных папок и панелей, дающих доступ к различным функциям и инструментам, необходимым на данном этапе.

Средства обработки результатов (постпроцессинга) позволяют отображать векторные и скалярные поля различных параметров, изолинии, траектории частиц (линии тока), а также создавать анимации и пространственные композиции. В дополнение к этому имеются средства отображения результатов на произвольных секущих поверхностях и переноса результатов на другую сетку. Векторные поля могут быть отображены с расчетной сетки на равномерную декартову ортогональную «презентаци-онную» сетку.

Связь с внешними пакетами

• Пакет STAR-CD имеет возможность импорта сеток из систем ICEM, SAMM, ANSYS, PATRAN, NASRAN, GRID3D или IDEAS.
• Сетки и результаты в последствии могут быть экспортированы об-ратно в вышеперечисленные пакеты.
• Информация об опорных поверхностях модели может быть прочитана в одном из стандартных форматов: IGES, STL или VDA.

В рамках PROSTAR имеются средства для импорта сеток и геометрии из внешних CAD систем. При-чем созданные в PROSTAR сетки и полученные результаты могут экспортироваться в другие систе-мы.

Информация о поверхностях, формирующих геометрию модели, может быть импортирована в PROSTAR для создания на ее базе расчетной сетки.

Структура и назначение файлов пакета Star-CD

Два главных компонента пакета STAR-CD - препроцессор PROSTAR и решатель STAR работают полуавтономно. Они общаются между собой при помощи входных и выходных файлов данных. На приведенной схеме расширение файла присоединяется к имени задачи (например, для задачи с име-нем test получаем файлы test.mld, test.echo и т.д.). Основные файлы:

*.mld - главный файл, в котором хранятся все данные о модели, заданные через PROSTAR (геомет-рия, свойства материалов, граничные условия, параметры решения и т.д.)
*.echo - журнал команд, протокол сеанса работы с PROSTAR
*.plot - нейтральный графический файл, содержащий копии экрана PROSTAR
*.trns - файл параметров нестационарного расчета.
*.geom - файл данных о геометрии модели, необходимый для STAR.
*.prob - файл, хранящий все прочие исходные данные к задаче (свойства материала, граничные условия, параметры решения), необходимые STAR.
*.pst - файл результатов стационарного расчета.
*.pstt - файл пошаговых результатов нестационарного расчета.
*.run - файл контрольных данных о ходе расчета и значений невязок (копия данных, выводимых на экран в процессе расчета)
*.info - файл дополнительных данных о процессе сходимости, выполнении условий сохранения, параметрах на границах и т.д., является дополнением к файлу *.run.