comsol®产品套件

使用CFD模块模拟流体流量应用

CFD建模软件用于单相和多相流

定义和求解模型,用于研究包含流体流量和流体流量与其他物理现象与CFD模块的系统的模型,该模型是CFD模块,该模块是一种附加产品comsol多物理学®仿真平台

CFD模块提供了建模流体流量分析基石的工具,包括:

  • 不可压缩和可压缩的流动
  • 层流和湍流
  • 单相和多相流
  • 开放域中的自由和多孔介质流和流动
  • 薄膜流

这些功能是通过结构化流体流实现的接口为了定义,解决和分析2D,2D轴对称和3D的时间依赖性(瞬态)和稳态流问题。除了上面的列表外,CFD模块还量身定制的功能,用于解决包括非牛顿流体,旋转机械和高马赫数流量的问题。

在模型中实施多物理的能力对于流体流量分析很重要。使用CFD模块,您可以同时在与用于分析流体流量问题的相同软件环境中建模共轭传热和反应流。与comsol中的其他模块结合时,可以使用其他多物理学的可能性,例如流体结构的交互作用®产品套件。

你可知道?物理接口是特定物理区域的用户界面,该界面将方程式以及网格生成,求解器,可视化和结果的设置定义。

您可以使用CFD模块模拟什么

扩展comsol多物理时®使用CFD模块,除了Comsol Multiphysics的核心功能外,您还可以访问专用CFD模拟的功能®软件平台。下面列出的所有功能均通过关联的物理界面实现。在定义和解决这些问题时,默认情况下将流体建模为不可压缩的,但只需通过从列表中选择它们即可与弱可压缩或完全可压缩的流相互互换。

层流和爬行

层流爬行流接口为您提供了在相对较低的雷诺数字下建模瞬态和稳定流量的功能。流体粘度可能取决于局部组成和温度或与流体流相结合的任何其他场。对于非牛顿液,您可以使用预定义的流变模型来粘度,例如权力法,,,,卡罗, 和宾厄姆用于简单的模型设置。

通常,密度,粘度和动量来源可以是温度,组成,剪切速率和任何其他因变量以及因变量的衍生物的任意功能。这些设置使定义粘弹性流的任意模型成为可能。

通过喷嘴注入的聚苯乙烯溶液的模型。 通过喷嘴注入线性聚苯乙烯溶液的流动上的剪切率依赖性粘度,使用非牛顿car虫模型模拟。

湍流

CFD模块中的相应流体流量接口可用,一组综合的雷诺平均纳维尔 - 斯托克斯(RANS)湍流模型以及大型涡流模拟。以下湍流模型可用于瞬态和稳定流:

双方程模型

  • K-ε模型
    具有可靠性约束的标准K-ε模型
  • 可实现的K-ε模型
    具有修改系数的K-ε模型满足可实现性
  • k-ω模型
    修订后的Wilcox K-ω模型(1998)具有可靠性约束
  • SST模型
    K-ε模型在自由流中的组合和靠近墙壁的K-ω模型的组合
  • 低RE K-ε模型
    AKN K-ε模型,可以解决靠近墙壁的流动

附加的运输方式模型

  • Spalart-Allmaras模型
    具有旋转校正的单方程模型,为空气动力应用开发
  • V2-F模型
    K-ε模型的扩展,该模型通过求解壁正常湍流速度波动来解释湍流各向异性

代数湍流模型

  • 代数YPLUS模型
    • 通过首先根据局部速度和尺寸墙距离求解粘性单元中的墙距离来评估湍流粘度
    • 稳健且计算上有效,但不如其他更复杂的模型准确
  • L-Vel模型
    • 通过首先根据局部速度和尺寸壁距离求解粘性单元中的壁平行速度来评估湍流粘度
    • 稳健且计算上有效,但不如其他更复杂的模型准确

大型涡模拟(LES)模型

  • RBVM
    • 基于剩余的变分多尺度模型
  • RBVMWV
    • 粘度的基于剩余的分流多尺度模型
  • Smagorinsky
    • Smagorinsky模型的变分多尺度版本

墙处理

根据以下列表,您可以将湍流界面与不同类型的墙处理结合在一起:

  • 墙功能
    • 强大而适用于粗网格
    • 精度有限
    • 光滑而粗糙的墙壁
    • 由K-ε,可实现的K-ε和K-ω支持
  • 低雷诺群落治疗
    • 将流程一直到墙壁一直解析
    • 准确的
    • 需要细网
    • 除标准K-ε和可实现的K-ε以外的所有湍流模型支持
  • 自动壁处理
    • 在低RE处理和墙壁功能之间开关
    • 根据本地网状分辨率准确
    • 继承墙功能提供的鲁棒性
    • 除标准K-ε和可实现的K-ε以外的所有湍流模型的默认值

用户定义的湍流模型

更改或直接在图形用户界面(GUI)中更改模型方程,以创建尚未包括的湍流模型。

薄膜流

为了描述薄域中的流动,例如移动机械零件或断裂结构之间的薄油膜,CFD模块提供了薄膜流,外壳界面。该公式通常用于建模润滑,弹性水力动力学或由于存在气体或液体(例如,在MEMS中)而导致运动部件之间流体阻尼的影响。

薄膜流,外壳界面为狭窄结构中的流量制定并求解了雷诺方程,并使用平均跨薄结构厚度的流量的函数来制定质量和动量平衡,这意味着不必啮合厚度。此功能有助于避免整个差距上的问题,从而节省了计算时间。

在倾斜垫轴承中建模薄膜流动的一个示例。 在倾斜垫轴承中的薄液膜中的压力和流动。由于流量和压力而导致的固体结构的变形显示,并乘以约4000倍。

多相流

在分离的多相流系统中,您可以使用表面跟踪方法来建模和模拟详细的气泡和液滴的行为以及自由表面。对于这种情况,可以使用分离的多相流的表面跟踪技术进行详细描述相边界的形状,包括表面张力效应。

与计算域相比,气泡,液滴或颗粒很小,并且其中有很多,您可以使用分散的多相流模型。这些模型跟踪不同阶段的质量分数以及分散的气泡,液滴或颗粒对平均含义中流体动量转移的影响。

以下分离和分散的多相流模型可用于瞬态和稳定流:

分离的多相流模型

  • 水平设置方法
    • 用于层流和湍流
    • 自适应网状细化以解决相之间的相边界
    • 跟踪与单相流中气体接触的自由液体表面
  • 相位场方法
    • 用于层流和湍流
    • 可用于层流的三相流模型
    • 自适应网状细化以解决相之间的相边界
    • 跟踪与单相流中气体接触的自由液体表面

分散的多相流模型

  • 气泡流模型
    • 用于层流和湍流
    • 用于相对较小的体积分数(<0.1)的液体中的气泡
    • 假设气泡相对于连续液体不会加速(平衡)
    • 健壮和计算便宜
  • 混合模型
    • 与气泡流模型相似,但更通用
    • 准确地描述了液体液体乳液,气溶胶和悬浮在液体中的固体颗粒中的气泡,只要可以忽略分散相相对于连续相的加速度(平衡)(平衡)
    • 计算在计算上比起泡的流程模型更昂贵,但仍然相对便宜
  • Euler-Euler模型
    • 用于层流和湍流
    • 大多数一般分散的多相流模型
    • 可用于处理气泡流,乳液,液体悬浮液,气溶胶和悬浮在气体中的固体颗粒
    • 典型的应用范围从用液体擦洗气体到建模流化床
    • 最昂贵的计算
  • 相运输
    • 求解任意数量阶段的传输方程
    • 可以耦合到单相流建模多相流的接口,或分散的多相流建模多个人群的界面
用COMSOL多物理和CFD模块对三相流进行建模的示例。

使用该分离的三相流问题使用三相流,相场界面。

多孔媒体流

CFD模块使使用三种不同的多孔介质流模型在多孔介质中模拟流体流动变得简单。

多孔媒体流模型

  • 达西的律法
    • 多孔结构中的流量的健壮和计算廉价描述
    • 可用于多相流
  • Brinkman方程
    • 达西定律的扩展,该法律解释了通过粘性剪切的动能耗散
    • 与高孔隙率高的高度开放结构有关
    • 达西的律法界面,因此计算更昂贵
  • 自由和多孔媒体流
    • 夫妇在多孔域中流动层流或开放域中的湍流
    • 为自由流的多孔域和层状或湍流方程式制定边缘曼方程

高马赫数流

模型在层流和湍流方面的可压缩流体的跨音速和超音速流。层流模型通常用于低压系统,并自动定义了理想气体的动量,质量和能量平衡的方程。高马赫数流量可用于K-ε和Spalart-Allmaras湍流模型。

comsol®软件会自动制定与理想气体的动量和质量平衡方程相连的能量方程。在这两种情况下,当将这些模型进行网盖时,自动网格精炼通过以非常高的速度和压力梯度在区域周围进行完善。

使用COMSOL多物理学和CFD模块对高马赫数流进行建模的示例。 从驱射器的超音速流速度场中的冲击钻石使用用于湍流高马赫数流动的接口进行建模。

旋转机械中的流体流动

旋转机器(例如搅拌机和泵)在发生流体流动的过程和设备中很常见。CFD模块提供旋转的机械接口,可在旋转帧中制定流体流动方程,可用于单相层流和湍流。要么使用旋转系统的全日制描述来定义和解决问题,要么使用基于冷冻转子近似的平均方法使用。此功能在计算上是便宜的,可用于估计平均速度,压力变化,混合水平,平均温度和浓度分布等等。

一般而言,CFD模块还可以解决流体流问题任何移动框架,而不仅仅是旋转框架。您可以使用移动框架来解决一个问题,其中结构与另一个结构相关,并在两者之间流动流动,这很容易通过使用移动的网格来设置和求解。

使用COMSOL软件在旋转机械中对流体流进行建模的示例。 在旋转机械中使用湍流建模的离心泵中的流动和压力场。

创建现实世界多物理模型

在许多情况下,流体流量模型与其他现象耦合,例如电动流动流和磁性水力动力学中的传热,结构力学,化学反应或电磁场。在comsol多物理学中对多种物理现象进行建模®与单物理问题没有什么不同,因为CFD模块为常见耦合提供现成的多物理接口。

CFD模块提供了一个专用的物理界面,用于定义流体和固体结构域中与流体域中流体流相结合的热传递模型。这些类型的模型是表示共轭传热模型,这意味着流体流动方程是在流体结构域中定义和求解的,而传热方程则是在固体和流体域中制定和求解的。

对于使用低Reynolds-number壁处理的层流和湍流模型,温度在固体流体内部边界上是连续的,这是非等热流动接口中的默认设置。为了模拟使用具有壁功能的湍流模型模拟湍流的轭传热,非等热流界面自动定义热壁功能。

低重复配方和热壁功能的选择使定义和解决共轭传热问题与湍流相结合变得非常简单。

加上结构力学模块对于层流和湍流,可以定义和解决流体结构相互作用(FSI)问题。CFD模块中有两个FSI选项:

  1. 单向FSI耦合,流动在结构上产生负载,但变形足以忽略其对流动的影响
  2. 双向FSI耦合,流在结构上产生负载,但变形很大,并通过改变流体结构域的形状来影响流动

双向耦合定义了流体域中的移动网格问题。固体表面上的位移取决于流体施加的力的平衡,并由变形的固体结构施加的反孔。稳态和时间依赖性研究可用于层流和湍流的单向和双向FSI问题。

您可以使用CFD模块为湍流和层流的反应系统建模。这允许对反应器,混合器以及发生化学反应和流动的任何其他系统进行研究和设计。反应流界面能够描述稀释和浓缩混合物中的多组分传输。多组分传输的混合物平均模型用于浓缩溶液。

完整的Maxwell-Stefan多组分传输方程可与化学反应工程模块。对于湍流反应流,使用涡流耗散模型来描述稀释和浓缩溶液的反应项中的湍流波动。为了模拟集中混合物中的多组分传输,也会自动考虑Stefan项;例如,在反应边界时。

使用COMSOL软件对反应流进行建模的示例。

使用该反应器中反应物的异浓度表面使用该反应器建模动荡的反应流界面。

搅拌机模块通过添加多相流和旋转机械的自由表面来扩展CFD模块的功能。此外,您可以访问零件库以供叶轮和船只简化创建几何形状。这两个功能都非常适合在制药和食品行业建模过程。

使用COMSOL软件对混合器进行建模的示例。 配备了三个叶轮的搅拌机进行了建模,以显示自由表面的流动模式和形状。

CFD模块中分散流的多相流界面将分散相视为其体积分数为模型变量的字段。当与粒子跟踪模块,您可以使用CFD模块对Euler-Lagrange多相流模型进行建模,其中将颗粒或液滴建模为刚性颗粒。用刚性建模的刚性颗粒,流体与颗粒之间的相互作用是双向的,颗粒也会影响流体流动。另外,在研究相对较小的体积颗粒分数时,Euler-Lagrange模型在计算上是便宜的。

管道流量模块定义了可以沿线和曲线求解流体流程方程的管道和通道网络的模型。通过将该产品与CFD模块相结合,您可以创建高保真模拟,其中包括连接到2D或3D流体域的管道和通道,并具有不可压缩的,弱可压缩的,非等温和反应流。

适用于解决CFD问题的一般功能

当您构建模拟时comsol多物理学®,您遵循所有附加模块的一致工作流程。CFD模块为流体流量模拟提供了专门的功能,以最大程度地提高CFD分析所需的性能和准确性。以下是一些CFD特定功能:

几何学

在导入的CAD几何形状周围生成流动域,例如边界框。您可以自动或手动删除CAD表示中包含的详细信息,这些详细信息与流体流无关。

材料

CFD模块包括一个具有最常见气体和液体的材料库。结合化学反应工程模块,您还可以访问气体物理特性(例如粘度,密度,扩散性和导热率)的通用描述。

网res

CFD模块中物理控制的网格功能是流体流问题中边界条件的说明,以计算准确的解决方案。边界层网格是自动生成的,以解决通常在应用壁条件的表面上出现的速度的梯度。

离散化

流体流物理界面使用Galerkin最小二乘法来离散流程方程并在空间中生成数值模型(2D,2D轴对称性和3D)。该测试功能旨在稳定双曲线项和运输方程中的压力项。冲击技术进一步减少了虚假振荡。另外,不连续的盖素公式用于保护内部和外部边界上的动量,质量和能量。

求解器

流程方程通常是高度非线性的。为了求解数值模型方程,自动求解器设置选择了合适的阻尼牛顿方法。对于大问题,牛顿方法中的线性迭代是由最新的代数多机或几何多机方法加速的,专门针对运输问题设计。

对于瞬态问题,使用自动时间阶梯和自动多项式订单的时间步变技术来解决具有最高准确性的速度和压力场,并结合上述非线性求解器。

后期处理

流体流量接口会生成许多默认图来分析速度和压力场。派生值和变量有广泛的列表,可以轻松访问以提取分析结果。

CFD模型网格的示例。 艾哈迈德身体的基准CFD模型。墙壁表面的边界层网格以蓝色突出显示。
使用自适应网状精炼的喷墨液滴的模型。 随着时间的推移,自适应网状精炼。喷墨液滴周围的相边界(灰色等音表)和在液滴的投影直接路径中用较密集的网格进行完善,以在液滴和空气之间获得锋利的相边界。

为简化的CFD模拟构建模拟应用程序

您可以使用应用程序构建器在任何现有模型的顶部构建用户界面,其中包含在comsol Multiphysics中®。此工具使您可以使用明确定义的输入和输出来创建应用程序。申请可用于许多不同的目的:

  • 可以通过录制GUI操作来自动化困难和重复的任务,该任务可以链接到单个命令,这可能是复杂的参数化序列,在没有错误的情况下可能难以复制
  • 根据特定的例程创建和更新大量参数化模拟的报告,以授予最佳的可重复性和质量
  • 为特定模型提供用户友好的接口,以允许在建模和仿真中进行无XPERT,从而受益于加速的理解和优化功能
  • 增加组织内对模型的访问,以最大程度地提高模拟驱动的开发和设计的投资回报率
  • 通过允许客户根据您提供的用户友好应用程序中的高保真模型获得最佳选择,从而获得竞争优势乐动体育app无法登录
用于模拟水域设计的示例应用程序。 水处理盆地应用程序证明了使用参数化的几何序列。边界条件自动定义的累积选择;以及用于易于使用的量身定制应用程序的图形用户界面。

每个业务和每个模拟都需要不同。

为了充分评估comsol多物理学是否®软件将满足您的要求,您需要与我们联系。通过与我们的一位销售代表交谈,您将获得个性化的建议和充分记录的示例,以帮助您充分利用评估,并指导您选择适合您需求的最佳许可选项。

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