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流体动力学仿真软件：Star-CCM+_（16）.案例研究与实践

阅读量：

案例研究与实践

在这一部分，我们将通过具体的案例研究来深入探讨如何在流体动力学仿真软件中进行二次开发。通过实际操作，我们不仅能够更好地理解软件的功能和限制，还能够掌握如何利用二次开发技术来解决特定的工程问题。每个案例都将在实际背景中详细展开，并提供具体的代码示例和数据样例，以确保读者能够跟着步骤进行实践操作。
在这里插入图片描述

案例1：定制化的网格生成

背景

在流体动力学仿真中，网格生成是至关重要的一步。标准的网格生成工具虽然强大，但在某些复杂几何结构中仍然可能无法满足特定的需求。通过二次开发，我们可以定制化网格生成策略，以提高仿真精度和计算效率。

具体操作

在这一部分，我们将介绍如何使用Star-CCM+的API来定制化网格生成。我们将通过一个实例来说明如何生成特定的网格类型，例如局部加密网格，以及如何优化网格以减少计算时间。

1.1 安装和配置开发环境

首先，确保您已经安装了Star-CCM+及其开发工具。Star-CCM+提供了Java API，因此我们需要一个支持Java开发的环境。推荐使用Eclipse或IntelliJ IDEA，因为这些IDE提供了丰富的代码编辑和调试工具。

复制代码 
    # 安装Eclipse
    
    sudo apt-get install eclipse
1.2 创建项目

在Eclipse中创建一个新的Java项目，将Star-CCM+的API库添加到项目的类路径中。

打开Eclipse。

选择 File -> New -> Java Project。

输入项目名称，例如 CustomMeshGenerator。

点击 Next，然后在 Libraries 选项卡中，点击 Add External JARs，选择Star-CCM+的API库。

完成项目创建。

1.3 编写网格生成脚本

我们将编写一个Java脚本来生成局部加密网格。以下是一个简单的示例，展示了如何使用Star-CCM+的API来实现这一功能。

复制代码 
    import java.io.File;
    
    import java.util.ArrayList;
    
    import java.util.List;
    
    
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.StarCCM;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.StarCCMFactory;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.geometry.GeometryPart;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.mesh.Mesh;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.mesh.MeshRegion;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.mesh.MeshScheme;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.mesh.cell.CellSize;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.mesh.cell.CellSizeRegion;
    
    
    
    public class CustomMeshGenerator {
    
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
        // 创建Star-CCM+实例
    
        StarCCM star = StarCCMFactory.createStarCCM();
    
    
    
        // 加载几何模型
    
        File geometryFile = new File("/path/to/geometry.stl");
    
        GeometryPart geometryPart = star.getGeometryParts().loadGeometry(geometryFile);
    
    
    
        // 创建网格区域
    
        MeshRegion meshRegion = geometryPart.getMesh().addMeshRegion("CustomMeshRegion");
    
    
    
        // 设置网格方案
    
        MeshScheme meshScheme = meshRegion.getMeshScheme();
    
        meshScheme.setMeshType(MeshScheme.MeshType.STRUCTURED);
    
    
    
        // 设置全局网格大小
    
        CellSize globalCellSize = new CellSize(0.01);
    
        meshRegion.setCellSize(globalCellSize);
    
    
    
        // 生成局部加密网格
    
        List<CellSizeRegion> cellSizeRegions = new ArrayList<>();
    
        CellSizeRegion region1 = new CellSizeRegion(geometryPart.getSurfaces().get("Surface1"), 0.005);
    
        cellSizeRegions.add(region1);
    
        meshRegion.setCellSizeRegions(cellSizeRegions);
    
    
    
        // 生成网格
    
        meshRegion.getMesh().generateMesh();
    
    }
    
    }

代码解释

创建Star-CCM+实例 ：使用 StarCCMFactory.createStarCCM() 方法创建一个Star-CCM+实例。

加载几何模型 ：使用 geometryPart.getMesh().loadGeometry() 方法加载几何模型文件。这里假设几何模型文件的路径为 /path/to/geometry.stl。

创建网格区域 ：使用 geometryPart.getMesh().addMeshRegion() 方法添加一个新的网格区域，并命名为 CustomMeshRegion。

设置网格方案 ：使用 meshRegion.getMeshScheme().setMeshType() 方法设置网格方案为结构化网格。

设置全局网格大小 ：使用 CellSize 类设置全局网格大小。

生成局部加密网格 ：创建一个 CellSizeRegion 列表，并在特定表面上设置较小的网格大小。

生成网格 ：调用 meshRegion.getMesh().generateMesh() 方法生成网格。

数据样例

假设我们有一个简单的几何模型文件 geometry.stl，该文件描述了一个带有一个表面 Surface1 的翼型。我们希望在 Surface1 上生成局部加密的网格。

实践步骤

准备几何模型文件 ：确保几何模型文件 geometry.stl 存在于指定路径中。

运行脚本 ：在Eclipse中运行上述Java脚本。

检查结果 ：在Star-CCM+中打开生成的网格文件，检查全局和局部网格大小是否符合预期。

案例2：自定义边界条件

背景

在实际工程中，标准的边界条件可能无法完全满足特定的需求。通过二次开发，我们可以自定义边界条件，例如动态边界条件或复杂函数形式的边界条件，以提高仿真的准确性和适用性。

具体操作

我们将通过一个实例来说明如何使用Star-CCM+的API来实现自定义边界条件。以下是一个简单的示例，展示了如何设置一个随时间变化的入口速度边界条件。

2.1 创建项目

在Eclipse中创建一个新的Java项目，将Star-CCM+的API库添加到项目的类路径中。

打开Eclipse。

选择 File -> New -> Java Project。

输入项目名称，例如 CustomBoundaryConditions。

点击 Next，然后在 Libraries 选项卡中，点击 Add External JARs，选择Star-CCM+的API库。

完成项目创建。

2.2 编写边界条件脚本

我们将编写一个Java脚本来设置一个随时间变化的入口速度边界条件。以下是一个简单的示例。

复制代码 
    import java.io.File;
    
    import java.util.HashMap;
    
    import java.util.Map;
    
    
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.StarCCM;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.StarCCMFactory;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.boundary.Boundary;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.boundary.BoundaryCondition;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.boundary.BoundaryConditionType;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.boundary.VelocityCondition;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.geometry.GeometryPart;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.physics.Flow;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.physics.PhysicalModel;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.physics.PhysicalModelType;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.physics.Time;
    
    
    
    public class CustomBoundaryConditions {
    
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
        // 创建Star-CCM+实例
    
        StarCCM star = StarCCMFactory.createStarCCM();
    
    
    
        // 加载几何模型
    
        File geometryFile = new File("/path/to/geometry.stl");
    
        GeometryPart geometryPart = star.getGeometryParts().loadGeometry(geometryFile);
    
    
    
        // 创建物理模型
    
        PhysicalModel physicalModel = star.getPhysicalModels().createPhysicalModel(PhysicalModelType.FLOW);
    
        Flow flow = (Flow) physicalModel;
    
    
    
        // 设置时间参数
    
        Time time = flow.getTime();
    
        time.setTimeType(Time.TimeType.TRANIENT);
    
        time.setEndTime(10.0);
    
        time.setTimeStep(0.1);
    
    
    
        // 获取入口边界
    
        Boundary inletBoundary = geometryPart.getBoundaries().get("Inlet");
    
    
    
        // 定义随时间变化的入口速度
    
        Map<Double, Double> velocityMap = new HashMap<>();
    
        velocityMap.put(0.0, 10.0);
    
        velocityMap.put(2.0, 20.0);
    
        velocityMap.put(5.0, 15.0);
    
        velocityMap.put(10.0, 10.0);
    
    
    
        VelocityCondition velocityCondition = new VelocityCondition(velocityMap);
    
        BoundaryCondition inletCondition = new BoundaryCondition(inletBoundary, BoundaryConditionType.VELOCITY, velocityCondition);
    
    
    
        // 应用边界条件
    
        inletBoundary.setBoundaryCondition(inletCondition);
    
    
    
        // 运行仿真
    
        flow.runSimulation();
    
    }
    
    }

代码解释

创建Star-CCM+实例 ：使用 StarCCMFactory.createStarCCM() 方法创建一个Star-CCM+实例。

加载几何模型 ：使用 geometryPart.getMesh().loadGeometry() 方法加载几何模型文件。这里假设几何模型文件的路径为 /path/to/geometry.stl。

创建物理模型 ：使用 star.getPhysicalModels().createPhysicalModel() 方法创建一个物理模型，并设置为流体模型。

设置时间参数 ：使用 time.setTimeType() 方法设置时间类型为瞬态，设置结束时间和时间步长。

获取入口边界 ：使用 geometryPart.getBoundaries().get() 方法获取入口边界。

定义随时间变化的入口速度 ：使用 HashMap 存储不同时间点的速度值。

创建边界条件 ：使用 VelocityCondition 类创建速度边界条件，并将其应用到入口边界。

运行仿真 ：调用 flow.runSimulation() 方法运行仿真。

数据样例

假设我们有一个几何模型文件 geometry.stl，该文件描述了一个带有入口边界 Inlet 的管道。我们希望在入口边界上设置一个随时间变化的速度边界条件。

实践步骤

准备几何模型文件 ：确保几何模型文件 geometry.stl 存在于指定路径中。

运行脚本 ：在Eclipse中运行上述Java脚本。

检查结果 ：在Star-CCM+中打开生成的仿真结果文件，检查入口速度是否随时间变化符合预期。

案例3：后处理脚本开发

背景

仿真完成后，通常需要进行后处理以提取和分析仿真结果。通过二次开发，我们可以编写自定义的后处理脚本，自动化数据提取和分析过程，提高工作效率。

具体操作

我们将通过一个实例来说明如何使用Star-CCM+的API来开发后处理脚本。以下是一个简单的示例，展示了如何提取并分析管道内的速度分布。

3.1 创建项目

在Eclipse中创建一个新的Java项目，将Star-CCM+的API库添加到项目的类路径中。

打开Eclipse。

选择 File -> New -> Java Project。

输入项目名称，例如 PostProcessingScript。

点击 Next，然后在 Libraries 选项卡中，点击 Add External JARs，选择Star-CCM+的API库。

完成项目创建。

3.2 编写后处理脚本

我们将编写一个Java脚本来提取管道内的速度分布，并进行简单的统计分析。以下是一个简单的示例。

复制代码 
    import java.io.File;
    
    import java.util.List;
    
    
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.StarCCM;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.StarCCMFactory;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.geometry.GeometryPart;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.postprocessing.FieldFunction;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.postprocessing.FieldValue;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.postprocessing.FieldValueLocation;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.postprocessing.FieldValueOperator;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.postprocessing.FieldValueRegion;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.postprocessing.FieldValueResult;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.postprocessing.FieldValueVariable;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.postprocessing.FieldValueVariableType;
    
    
    
    public class PostProcessingScript {
    
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
        // 创建Star-CCM+实例
    
        StarCCM star = StarCCMFactory.createStarCCM();
    
    
    
        // 加载几何模型
    
        File geometryFile = new File("/path/to/geometry.stl");
    
        GeometryPart geometryPart = star.getGeometryParts().loadGeometry(geometryFile);
    
    
    
        // 加载仿真结果文件
    
        File resultFile = new File("/path/to/result.sim");
    
        star.loadSimulation(resultFile);
    
    
    
        // 定义速度场函数
    
        FieldFunction velocityField = new FieldFunction("Velocity");
    
        velocityField.setLocation(FieldValueLocation.CELL_ZONE);
    
    
    
        // 定义分析区域
    
        FieldValueRegion analysisRegion = new FieldValueRegion(geometryPart.getMeshRegions().get("PipeMeshRegion"));
    
    
    
        // 获取速度场值
    
        FieldValueResult velocityResult = analysisRegion.getValue(velocityField);
    
    
    
        // 进行统计分析
    
        double maxVelocity = velocityResult.getMaxValue();
    
        double minVelocity = velocityResult.getMinValue();
    
        double avgVelocity = velocityResult.getAverageValue();
    
    
    
        // 输出结果
    
        System.out.println("最大速度: " + maxVelocity);
    
        System.out.println("最小速度: " + minVelocity);
    
        System.out.println("平均速度: " + avgVelocity);
    
    }
    
    }

代码解释

创建Star-CCM+实例 ：使用 StarCCMFactory.createStarCCM() 方法创建一个Star-CCM+实例。

加载几何模型 ：使用 geometryPart.getMesh().loadGeometry() 方法加载几何模型文件。这里假设几何模型文件的路径为 /path/to/geometry.stl。

加载仿真结果文件 ：使用 star.loadSimulation() 方法加载仿真结果文件。这里假设结果文件的路径为 /path/to/result.sim。

定义速度场函数 ：使用 FieldFunction 类定义速度场函数，并设置其位置为单元区。

定义分析区域 ：使用 FieldValueRegion 类定义分析区域，这里假设分析区域为 PipeMeshRegion。

获取速度场值 ：使用 analysisRegion.getValue() 方法获取速度场的值。

进行统计分析 ：使用 FieldValueResult 类的 getMaxValue()、getMinValue() 和 getAverageValue() 方法进行统计分析。

输出结果 ：将统计结果输出到控制台。

数据样例

假设我们有一个几何模型文件 geometry.stl，该文件描述了一个管道，以及一个仿真结果文件 result.sim，该文件包含管道内的速度分布数据。

实践步骤

准备几何模型文件和仿真结果文件 ：确保几何模型文件 geometry.stl 和仿真结果文件 result.sim 存在于指定路径中。

运行脚本 ：在Eclipse中运行上述Java脚本。

检查结果 ：在控制台中查看输出的最大速度、最小速度和平均速度，确保它们符合预期。

案例4：自动化仿真工作流

背景

在大型工程项目中，通常需要进行多个仿真的迭代和优化。手动管理这些仿真过程不仅耗时，而且容易出错。通过二次开发，我们可以自动化仿真工作流，提高工作效率和准确性。

具体操作

我们将通过一个实例来说明如何使用Star-CCM+的API来自动化仿真工作流。以下是一个简单的示例，展示了如何创建多个仿真任务并自动运行它们。

4.1 创建项目

在Eclipse中创建一个新的Java项目，将Star-CCM+的API库添加到项目的类路径中。

打开Eclipse。

选择 File -> New -> Java Project。

输入项目名称，例如 AutomatedSimulationWorkflow。

点击 Next，然后在 Libraries 选项卡中，点击 Add External JARs，选择Star-CCM+的API库。

完成项目创建。

4.2 编写自动化仿真脚本

我们将编写一个Java脚本来创建多个仿真任务并自动运行它们。以下是一个简单的示例。

复制代码 
    import java.io.File;
    
    import java.util.ArrayList;
    
    import java.util.List;
    
    
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.StarCCM;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.StarCCMFactory;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.geometry.GeometryPart;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.mesh.Mesh;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.mesh.MeshRegion;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.physics.Flow;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.physics.PhysicalModel;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.physics.PhysicalModelType;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.physics.Time;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.simulation.Simulation;
    
    import com.cdadapco.star.ccm.api.simulation.SimulationManager;
    
    
    
    public class AutomatedSimulationWorkflow {
    
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
        // 创建Star-CCM+实例
    
        StarCCM star = StarCCMFactory.createStarCCM();
    
    
    
        // 加载几何模型
    
        File geometryFile = new File("/path/to/geometry.stl");
    
        GeometryPart geometryPart = star.getGeometryParts().loadGeometry(geometryFile);
    
    
    
        // 创建仿真管理器
    
        SimulationManager simulationManager = star.getSimulationManager();
    
    
    
        // 定义多个仿真任务
    
        List<Simulation> simulations = new ArrayList<>();
    
    
    
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
    
            // 创建新的仿真
    
            Simulation simulation = simulationManager.createSimulation("Simulation" + i);
    
    
    
            // 创建物理模型
    
            PhysicalModel physicalModel = simulation.createPhysicalModel(PhysicalModelType.FLOW);
    
            Flow flow = (Flow) physicalModel;
    
    
    
            // 设置时间参数
    
            Time time = flow.getTime();
    
            time.setTimeType(Time.TimeType.TRANIENT);
    
            time.setEndTime(10.0 + i * 2.0); // 每个仿真的结束时间不同
    
    
    
            // 设置全局网格大小
    
            Mesh mesh = geometryPart.getMesh();
    
            MeshRegion meshRegion = mesh.addMeshRegion("CustomMeshRegion" + i);
    
            CellSize globalCellSize = new CellSize(0.01 + i * 0.005); // 每个仿真的网格大小不同
    
            meshRegion.setCellSize(globalCellSize);
    
    
    
            // 设置入口边界条件
    
            Boundary inletBoundary = geometryPart.getBoundaries().get("Inlet");
    
            Map<Double, Double> velocityMap = new HashMap<>();
    
            velocityMap.put(0.0, 10.0 + i * 2.0); // 每个仿真的入口速度不同
    
            velocityMap.put(2.0, 20.0 + i * 2.0);
    
            velocityMap.put(5.0, 15.0 + i * 2.0);
    
            velocityMap.put(10.0 + i * 2.0, 10.0 + i * 2.0);
    
    
    
            VelocityCondition velocityCondition = new VelocityCondition(velocityMap);
    
            BoundaryCondition inletCondition = new BoundaryCondition(inletBoundary, BoundaryConditionType.VELOCITY, velocityCondition);
    
            inletBoundary.setBoundaryCondition(inletCondition);
    
    
    
            // 添加到仿真任务列表
    
            simulations.add(simulation);
    
        }
    
    
    
        // 运行所有仿真任务
    
        for (Simulation simulation : simulations) {
    
            simulation.runSimulation();
    
        }
    
    }
    
    }

代码解释

创建Star-CCM+实例 ：使用 StarCCMFactory.createStarCCM() 方法创建一个Star-CCM+实例。

加载几何模型 ：使用 geometryPart.getMesh().loadGeometry() 方法加载几何模型文件。这里假设几何模型文件的路径为 /path/to/geometry.stl。

创建仿真管理器 ：使用 star.getSimulationManager() 方法获取仿真管理器。

定义多个仿真任务 ：使用 for 循环创建多个仿真任务。每个任务的结束时间、网格大小和入口速度都不同。

设置时间参数 ：使用 time.setTimeType() 方法设置时间类型为瞬态，设置结束时间和时间步长。

设置全局网格大小 ：使用 CellSize 类设置全局网格大小，并将其应用到网格区域。

设置入口边界条件 ：使用 HashMap 存储不同时间点的速度值，创建速度边界条件，并将其应用到入口边界。

添加到仿真任务列表 ：将每个仿真任务添加到 simulations 列表中。

运行所有仿真任务 ：使用 for 循环遍历 simulations 列表，调用 simulation.runSimulation() 方法运行每个仿真任务。

数据样例

假设我们有一个几何模型文件 geometry.stl，该文件描述了一个带有入口边界 Inlet 的管道。我们需要运行5个不同的仿真任务，每个任务的结束时间、网格大小和入口速度都不同。

实践步骤

准备几何模型文件 ：确保几何模型文件 geometry.stl 存在于指定路径中。

运行脚本 ：在Eclipse中运行上述Java脚本。

检查结果 ：在Star-CCM+中打开生成的仿真结果文件，检查每个仿真任务的结果是否符合预期。

总结

通过这些案例研究，我们展示了如何在Star-CCM+中进行二次开发，以解决特定的工程问题。无论是定制化的网格生成、自定义的边界条件设置，还是后处理脚本开发和仿真工作流自动化，Star-CCM+的API都为我们提供了强大的工具。希望这些示例能够帮助读者更好地理解和应用二次开发技术，提高仿真工作的效率和准确性。

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流体动力学仿真软件：Star-CCM+_（13）.高级流体动力学分析

高级流体动力学分析 1\.高级流体动力学分析简介 在流体动力学仿真软件中，高级流体动力学分析模块提供了更复杂的流体行为模拟功能，适用于解决多相流、非牛顿流体、湍流等复杂问题。这些功能不仅增强了软件的适...

流体动力学仿真软件：COMSOL_（12）.流体动力学案例研究

这些示例不仅帮助您理解如何使用COMSOL进行流体动力学仿真，还为您的实际工程项目提供了参考。如果您有任何疑问或需要进一步的帮助，请随时参考COMSOL的官方文档或联系技术支持。希望这些案例研究能够对...