STAR-CCM+瞬态算到崩溃？变时间步长+内外双循环收敛准则，这套配置抄走就能用

一个热水瓶，8 个传热过程、7541 秒物理时间。固定步长根本算不完。

瞬态传热仿真最折磨人的地方是：开始阶段不稳定，必须用小步长；可整个过程动辄几千秒，一直用小步长就永远算不完。

这篇整理自 STAR-CCM+ 零基础到就业课程主题 7 第 4 节《热水瓶保温仿真综合实例》。它给了两个能直接抄走的解法：用表达式做变时间步长推进，以及用「报告-监测器-停止准则」搭一套内外双循环的收敛判据——不用再猜该算多少个时间步。

一、问题：一个热水瓶，8 个传热过程

热水瓶的保温过程，同时涉及热传导、热对流和热辐射三种方式，拆开来一共是8 个传热过程——这8个在仿真里都必须考虑。

#　路径　→　传热方式

1热水 → 内胆　→　热对流

2　内胆内部　→　热传导

3　内胆外表面 ↔ 空气域内表面　→　热辐射

4　内胆 ↔ 空气　→　热对流

5　空气 ↔ 外壳　→　热对流

6　外壳内部　→　热传导

7　外壳外表面 ↔ 周围空气　→　辐射换热

8　外壳外表面 ↔ 周围空气　→　对流换热

图1　热水瓶保温的 8 个传热过程：内胆、空气域、外壳与周围环境

模型里有4个区域：热水、内胆（壳）、外壳（壳）、空气域。空气的物理模型包含辐射，辐射的环境温度就是外部温度300K，因此会发生辐射换热。

二、关键设置 1：变时间步长推进技术

求解器选隐式非稳态，它的默认时间步长是0.01秒——太小了。而这个问题的物理时间要跑到 7541 秒，用 0.01 秒的步长等于要算 75 万步。

但一开始又不能直接用大步长：求解一开始很不稳定，需要很短的时间步长。所以要用变时间步长：

变时间步长策略

t < 1 s→步长 0.05 s

1 s ≤ t < 3 s→步长 0.2 s

t ≥ 3 s→步长 1 s

为了维持整个计算的稳定性和精度，采用变时间步长技术

2.1 用表达式（Expression）实现

STAR-CCM+ 里用表达式来做条件控制。写法是三元条件语法：

先把时间变量引进来（用 $Time 这个符号），然后嵌套判断：

($Time < 1) ? 0.05 : ( ($Time < 3) ? 0.2 : 1 )

· ? 前面是条件，后面是条件成立时的取值

· : 后面是否则执行的决策——这个决策本身可以再套一层判断

· 所以两层嵌套就能表达三段步长

图2　在求解器里用表达式做时间步长的条件控制

★ 一定要用「预览」验证：表达式写完先点预览，把时间范围设成 0 ~ 10 s，就能直接看到曲线——1 秒之前步长0.05、1到3秒是0.2、3秒之后是1。确认阶梯对了再提交计算，比算错了重来省太多时间。

图3　变时间步长推进：开始传热慢且不稳定，步长随时间逐步放大

三、关键设置 2：内外双循环收敛准则

这是整节课最值钱的部分。默认的收敛控制是「最大物理时间」+「最大内循环次数」，但保温仿真有两个「不知道」：

· 不知道要算多久才能达到 327 K

· 不知道每个时间步要迭代多少次才能收敛

所以这两个默认准则都不采用，改用基于报告 / 基于监测器的收敛准则。

外循环｜控制「整个物理时间算到什么时候停」

1 建报告：类型选 体积平均（Volume Average），函数设 温度，部件选 热水区域

2 重命名为「热水温度」，基于它创建监测器和绘图（监测器横轴 = 时间步）

3 根据监测器创建停止准则（Stopping Criteria）：默认是最小值 → 就选用最小值，设为 327 K

4 把「最大物理时间」取消 → 让温度来决定外循环什么时候结束

图4　外循环：停止准则用监测器最小值 = 327 K，取消最大物理时间

内循环｜控制「每个时间步内迭代到什么程度算收敛」★

1 再建一个监测器，触发（Trigger）选为「迭代次数」

2 基于它创建收敛准则，类型设为 渐进（Asymptotic）

3 渐进值设 1e-6，样本数设 20

4 把「最大内循环次数」这个停止准则也取消

含义：在 20 次迭代之内，如果（最大值 − 最小值）小于这个阈值，就认为内循环已经迭代完成。

这是一个归一化的概念，和残差类似——残差一般用 1e-5，这里用 1e-6，会更精确一点。

图5　内循环：触发选迭代次数，收敛准则用渐进 1e-6、样本数 20

通过这内循环 + 外循环两套控制方法，

保证每一个时间步和整个求解过程都是精确且稳定的。

四、关键设置 3：监测曲线与标量场景

① 两个绘图，横轴要区分开

一个绘图的底轴设为迭代次数，另一个保持物理时间。这样一个看单步收敛情况、一个看整体趋势，定义清晰、不会看混。

② 再加一个外壳温度报告

新建报告 → 类型选面平均（Surface Average） → 函数设温度 → 部件选外壳 → 命名「外壳平均温度」→ 建监测器 → 把监测器直接拖到已有的绘图里。这样一张图上就有两条曲线：热水温度 + 外壳温度。

③ 标量场景 + 平面截面

新建标量场景，标量场设温度；新建衍生部件 → 平面截面（Plane Section），法向设 Z 轴，原点设 −0.01（这个偏移是为了保证能把体截到）；然后选择现有显示器 → 标量 → 创建。

再把轮廓隐藏，选中面并与法线平齐，就是干净的截面云图。

图6　把外壳温度监测器拖进同一绘图：热水降温与外壳升温两条曲线

4.1 两个提升出图质量的小技巧

注释里显示求解时间

在注释（Annotation）里选择求解时间，把其他不需要的去掉，画面上就会实时显示当前算到了多少秒——做动画或过程截图时非常有用。

★ 图形周期重复：把半模型显示成整模型

模型是对称的，只算了一半。想在图里看到完整外形：

场景 → 标量 → 变换（Transform） → 工具 → 变换 → 新建图形变换 → 选「使图形周期重复」 → 旋转轴设 Y 轴、旋转角度设 180°。

之后重新建一个标量场景，选择刚定义的「图形周期重复」，整个模型就全显示出来了。注释同样再改一次即可。

图7　图形变换「使图形周期重复」：绕 Y 轴 180°，半模型显示成整模型

图8　应用周期重复后的完整模型温度场

五、结果与两个判读经验

工况与结果

初始化　热水初始温度 355 K，环境温度 300 K——看它的保温效果

第一个时间步　残差图 + 标量场景可以看到热量正在向外散发（放大看更明显）

算到 39 秒　最高温度已降约 1 K，温度逐步向外扩散

趋势　热水温度大约降了 5 K，外壳温度则一直在上升

最终结果　需要 7541 秒 ≈ 2 小时才能冷却到 327 K → 说明这个热水瓶的保温效果还是可以的

图9　热水温度曲线（横轴为迭代次数）：约 35 步后持平，满足收敛要求

经验 1｜怎么判断单个时间步收敛了

看横轴为迭代次数的那条曲线：课程案例里进行到 35 步左右曲线几乎持平，之后满足收敛要求才下降（进入下一时间步）。持平 = 这个时间步内已经迭代到位。

经验 2｜物理时间很长时，先算一段看趋势

这个案例完整算完需要很久（7541 秒物理时间）。课程里的做法是先算一段、确认趋势和设置都对，剩下的自己回去算到结尾。长时瞬态不要一上来就闷头跑到底——先用小范围验证表达式、收敛准则和场景设置。

图10　标量场景：热量由内胆向外壳与空气域逐步扩散

六、附：薄壁网格的13道题答案

课程最后讲解了7.3节的测试题，全部围绕薄壁网格（Thin Wall）与挡板（Baffle），这里整理成一张表：

#　问题　→　答案

1　薄壁网格是哪个网格生成器的子模型　→　四面体网格和多面体网格的子模型

2　薄壁网格的好处　→　允许共形网格出现在固体和流体的交界面上

3　确保薄壁网格只应用到固体区域　→　创建一个体控制，取消流体区域的薄壁网格

4　固体厚度非常小的时候　→　能够激活薄壁网格

5　执行共形网格交界面　→　右键交界面节点 → 选择「初始化」，确保共形网格输出在输出窗口中

6　薄壁网格生成器最适用于　→　带有薄部件的固体区域

7　增加薄壁层数量　→　激活「强制薄壁层数量」并指定层数

8　典型应用例子　→　汽车发动机缸体热分析（含很多薄壁件）；外空气动力学、多相流、燃烧都不适用

9　网格模型中涉及薄壁网格的设置　→　薄壁网格生成器

10　对基于网格的部件，网格可用于　→　多面体单元网格（多面体网格适用于薄壁网格生成器）

11　最适用的物理模型　→　固体区域 / 固体模型

12　挡板（Baffle）的基础缺点　→　忽略几何细节，不捕捉细节，只是一个板子

13　适用于创建薄板的操作　→　填充孔洞

图11　测试题讲解：薄壁网格与挡板的适用边界

✅ 长时瞬态传热配置模板

1. 拆传热路径：把所有传导/对流/辐射环节列全（本例 8 个），漏一个结果就偏

2. 求解器：隐式非稳态；默认步长 0.01 s 太小，必须改

3. 变步长：用表达式三元嵌套 ($Time<1)?0.05:(($Time<3)?0.2:1)；写完先预览 0~10 s 验证阶梯

4. 外循环：体积平均报告（温度·热水区）→ 监测器 → 停止准则「最小值 = 327 K」→ 取消最大物理时间

5. 内循环：监测器触发选「迭代次数」→ 收敛准则「渐进 1e-6、样本数 20」→ 取消最大内循环次数

6. 绘图：一张横轴迭代次数、一张横轴物理时间；面平均报告拖进同一绘图做双曲线

7. 标量场景：平面截面法向 Z、原点 −0.01（保证截到体）；隐藏轮廓 + 与法线平齐

8. 出图：注释显示求解时间；图形周期重复（绕 Y 轴 180°）把半模型显示成整模型

9. 判读：迭代次数曲线持平 = 该时间步已收敛；长时瞬态先算一段验证设置再跑到底

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