Starccm+软件入门（四）边界（Boundary）和交界面（Interface）功能解析

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本文主要讲解Star CCM + 中连续体与区域的功能解析

在 Star CCM + 软件的区域设置中，边界（Boundary）和交界面（Interface）是两个至关重要的部分，它们对于准确进行 CFD 计算以及处理多区域间的物理量交换起着关键作用。

边界（Boundary）

边界是指完整包围并定义区域的表面（在二维情况下则是线）。在 CFD 计算中，边界条件的准确设定是非常重要的，而这就需要在众多的边界中进行操作。

对于单个区域来说，包围该区域的线或面就代表着边界。边界的离散与限定区域体网格的表面是相对应的，这决定了边界不能被不同区域共享，即一个边界只能归属于一个区域。即使是两个相邻区域的边界相互重合，在定义边界条件时，也必须按照各自所属的区域分别进行定义。

根据实际的使用需求，Star CCM + 提供了九种边界条件类型，分别是轴、分流出口、自由流、质量流量入口、压力出口、滞止入口、对称平面、速度入口和壁面边界条件，用户可以将各个边界定义为这些合适的类型。

交界面（Interface）

在进行流固耦合等涉及多个区域的计算时，不同区域之间会发生质量、能量或其他物理量的交换，而交界面正是实现这种交换的关键组件。在一个模拟中，可能存在多个（甚至零个）交界面。在同一区域或不同区域中，交界面始终是由边界对组成的。

按生成方式分类

交界面按生成方式可分为以下三种类型：

边界交界面（Boundary-Mode Boundary Interfaces ）
：由用户在区域中手动选择两个边界来创建。
接触交界面（Contact-Mode Boundary Interfaces ）
：在将几何零部件分配至区域时自动创建，基于几何零部件之间的接触关系。
区域交界面（Region Interfaces ）
：用于两个区域间的交界面，适用于重叠网格（Overlapping Meshes）和换热器（Heat Exchanger）等特定情况。

当交界面创建成功后，会在两个边界下方以及交界面管理器节点中生成一个交界面。从交界面的属性窗口中可以看到，交界面除了由两个只读边界组成外，还需要根据实际计算需求选择合适的拓扑方式（Topology）和类型（Type）。

交界面拓扑 (Topology)

交界面的拓扑类型主要有以下三种：

原位（In-Place）
：组成交界面的两个边界在接触上属于原位接触，即两个边界之间在空间上没有物理分离。使用这种拓扑时，不要求两个零部件间接触的表面具有相同的周长。若周长不同，软件会在重合部分创建交界面，对于多余部分创建剩余边界。当原位交界面与表面重构网格划分器一起使用时，会在交界面产生共形网格，即两个边界在顶点位置和面拓扑方面完全相同，有利于后续创建高质量的体网格。
周期（Periodic）
：组成交界面的两个边界在接触上属于周期接触，意味着构成交界面的边界在空间上是物理分离的，但可以通过某些持续的旋转或平移从一个空间映射到另一个空间。周期交界面表示边界之间信息的循环重复，以便计算一个边界的通量并将其转换应用于另一个边界。当周期交界面与表面重构、四面体、多面体或薄体网格生成器结合使用时，网格生成器将在交界面处生成共形网格。如果网格能成功映射，节点对数量、面映射将显示在输出窗口（Output Window）中，属性面板中也会显示计算得到的旋转角度和 / 或平移距离。若周期边界对之间不满足共形网格生成条件，则会在输出窗口中显示警告消息（Warning），告知问题所在位置，此时网格生成过程仍会继续，但最终会生成非共形网格。
重复（Repeating）
：重复拓扑是原位拓扑和周期拓扑的组合，与周期性滑动网格计算相关联，且仅能在具有同一旋转轴的区域之间使用。

交界面分类 (Type)

Star CCM + 中提供了 12 种交界面类型，各有其特点和适用场景：

内部交界面（Internal Interface）
：主要用于连通两个不同的区域，使工质能够在两个区域间自由流通，但要求这两个区域必须使用相同的连续体。在场景中，该交界面显示为黄色。
接触交界面（Contact Interface）
：可以连接来自同一连续体或不同连续体的两个固体区域，也能连接固体区域和流体区域。这种交界面类型主要用于区域之间的热传递，以及指定气体和介电（非导电）材料之间的表面电荷。
挡板交界面（Baffle Interface）
：代表流体中的一个或多个固体材料薄片，可以设置在同一连续体或不同连续体的区域之间。挡板交界面的厚度被视为无穷小，在粘性流动中，挡板交界面附近的流体将其视为壁面，并采用无滑移边界条件。
多孔挡板交界面（Porous Baffle Interface）
：代表一层多孔膜，流体可以通过该膜，但会造成一定的压力损失。
充分发展交界面（Fully Developed Interface）
：用于指定周期性（循环）重复的压降。
流体膜交界面（Fluid Film Interface）
：用于连接流体和流体膜区域，表示两种流体之间的接触面。
风扇交界面（Fan Interface）
：在进行风扇计算时可能会用到，它将穿过轴向风扇的压升建模为局部流率或速度的函数。风扇交界面只能在属于同一流体连续体的区域之间使用，设置时需要提供风扇对应的风扇性能曲线，该曲线将通过风扇交界面的压降指定为局部速度、质量平均速度、体积流率、质量流率其中某个变量的函数。
风机交界面（Blower Interface）
：可对两种类型的径向风扇建模，即离心风扇和叶轮风扇。对于径向风扇，压力上升的实现跨两个非连续边界（风机入口和出口），所以风机交界面是间接交界面（Indirect Interface）。
映射接触交界面（Mapped Contact Interface）
：是一种允许流体 / 固体、固体 / 固体边界之间使用非共性网格的接触交界面。
混合平面交界面（Mixing Plane Interface）
：用于计算涡轮机械多级流动的稳态情况。
热交换器交界面（Heat Exchanger Interface）
：是模拟换热器时使用的交界面，它是根据热流体、冷流体两个流体区域或者流体域、固体域两个区域创建的，而不是基于两个边界。
重叠网格交界面（Overset Mesh Interface）
：将一个重叠区域与背景区域或另一个重叠区域耦合。