每页:
搜索

带标签的博客文章 CFD 模块

网格自适应的 2 种方法——实现更高效的计算

2019年 1月 16日

网格自适应的目标是修正网格以更有效地解决问题。通常,我们希望使用尽可能少的单元来获得精确的解;并希望在不太重要的区域使用较粗糙的网格,而在感兴趣的区域使用较精细的网格。有时,我们甚至可能会考虑各向异性单元。从 5.4 版本开始, COMSOL Multiphysics® 软件内置了增强工具以适应网格的变化。今天,让我们来看看在 COMSOL 软件中,如何使用网格自适应方法实现更高效的计算。 确定所需网格单元的大小 为了调整网格,我们必须知道实际所需的网格单元大小。但是,在实际工作中,需要进行大量的研究才能找到合适的尺寸。在 COMSOL Multiphysics 中,我们可以在研究中使用 自适应和误差估计 功能(用于稳态和特征值问题),基于内置误差估计自动调整网格。 在 COMSOL 软件中可以灵活地进行网格自适应,而不只是局限于内置误差估计。比如,我们可以先在粗网格上求解一个较简单的问题,然后基于该解通过计算的表达式来控制一个较难问题的单元尺寸。另外,还可以使用导入的插值函数或任何函数。 本文不涉及这方面内容,而是假设我们已经隐式或显式地知道所需的单元大小是 x,y 和(在 3D 中)z 的函数。这意味着网格单元边长由该边中点坐标的函数表达式确定。通常,不可能完全满足此要求,即使是一个三角形也需要满足三角形不等式。但是,请记住:尺寸表达式表示空间中每个点上所需的单元边长。 根据尺寸大小函数适应网格的 2 种方法 在 COMSOL Multiphysics 中,从 网格 节点开始工作时,有 2 种本质上不同的方法来构建适应尺寸大小函数的网格。 第一种方法,我们可以在网格划分序列中使用大小表达式 属性来改变生成网格的大小。如果我们使用研究里的网格自适应,则相当于选择了 重建网格 选项,其中的自由网格生成器(自由三角形网格,自由四边形网格和自由四面体网格)会考虑这个尺寸大小。另一方面,结构化方法(例如映射 和扫掠,和某种程度上的边界层)忽略了大小表达式属性(根据定义,结构化网格不能遵循大小可变的字段)。简单来说,就是如果我们构建的是结构化网格,则可能无法使用此方法。 另一种方法是使用 自适应 操作。此操作通过单元细化和粗化修改现有的网格。我们可以在具有任何单元类型的网格上以及在导入的网格上使用自适应操作。这是一种更强大的方法,并且能够更好地遵循指定的大小表达式。但是,结果通常不如从头开始生成的网格平滑。 下面,我们将详细讨论这两种方法,看看结果有何不同。 使用大小表达式属性 如前所述,使用大小表达式属性方法通常能获得高质量的网格。但是,如果它产生的单元质量较差,则可能不遵守所需的大小(例如,进行快速大小转换时)。有关网格质量的讨论,请阅读 COMSOL 博客文章:如何检查 COMSOL Multiphysics® 中的网格。由于网格在每一次适应时是从零开始构建的,因此对于复杂的几何形状而言,此过程可能很耗时。 使用大小表达式属性对圆形几何的三角形网格应用一个表达式,结果具有高质量的网格单元和平滑的尺寸过渡。 如果我们具有已知的大小表达式(例如,全局插值函数),则在背景栅格上进行计算通常会很方便(在上图中的栅格基础上计算)。我们需要确保栅格分辨率足够高以捕获大小表达式描述的所有特征。 当大小表达式取决于已知的空间变化量(例如材料)时,我们可以使用初始表达式计算选项。之后,可以使用模型中的任何表达式。软件将会在求解前计算表达式(对应于获取求解步骤的初始值命令,可用于研究步骤)。我们还可以指定某个研究步,因为一些表达式的值取决于研究。 最后,我们还可以在现有解上计算。表达式类型为错误指示器 用于内置错误估计,但我们也可以使用任何大小表达式——这可能依赖于现有的解。例如,我们可能想在应力较大的地方细化网格。 使用自适应操作 另一种方法是基于现有的网格,对其进行修改以匹配所需的大小。这就是自适应 操作的作用。它适用于所有尺寸,也可作用于导入的网格。它的许多选项和输入字段与大小表达式 属性相同。 该操作有三种适应方法:最长边细化,常规细化 和通用修改。两种细化方法是基于单元边的二等分法,由于这些单元边太长,保留了所有现有的网格顶点,因此这些方法无法粗化网格。 自 5.4 版本开始,COMSOL Multiphysics 软件内置了通用修改 方法。顾名思义,即是以非常通用的方式修改网格: 单元可以细化 如果网格太细,可以删除顶点以粗化网格 单元可以修改,网格顶点可以移动,以提高网格质量 使用自适应操作的通用修改方法,对 大小表达式属性应用同一表达式。虽然对于大多数应用而言,网格单元质量足够高,但是大小过渡不如从头开始生成的网格平滑。 如果将适应方法更改为最长边细化,则结果如下所示。将太长的边一分为二,直到网格被充分细化。此网格操作非常快,但是即使输入网格的质量很高,该方法通常会产生低质量网格单元。 与上述模型相同,但是将自适应方法设置为 最长边细化。这里,我们可以看到原始三角形形状产生的图案。 支持所有单元类型 自适应 操作可用于所有单元类型的网格,也可以作用于结构化网格域(虽然,网格自适应后通常不再是结构化)。但是,当在复杂单元(二维中的四边形,三维中的六面体、棱柱、锥形)中使用此方法时,我们必须要小心,因为结果可能很差。下面,我们来看看在这种情况下单元尺寸大小是如何过渡的。在二维模型中,三角形插入到四边形网格中。 左:圆形几何中默认的自由四边形网格。以最大角度质量对单元进行着色。右:网格适应为与上面相同的大小表达式后的结果。请注意在尺寸过渡区域中三角形是如何使用的。 […]

主题演讲视频:仿真助力心脏泵设计改进

2018年 12月 5日

心力衰竭是一个全球性的健康问题,影响着数百万人,使他们无法正常生活。但是,如果有一种装置可以让患者的心脏保持跳动,甚至提高他们的生活质量,将会怎样呢?

有限元法(FEM)vs. 有限体积法(FVM)

2018年 11月 29日

有限元法、有限体积法或混合方法:哪一种是 CFD 仿真的最佳选择?这取决于您要求解的流体流动问题。

通过建筑物理仿真改进建筑设计

2018年 10月 4日

想象一下,当雷雨交加时你正在室内,看着雨点从窗户上滴下来。尽管外面是暴风雨,但由于建筑围护结构可以保护你免受外界环境的影响,你仍然能够保持干燥并感到温暖。为了设计功能完善的建筑围护结构,工程技术人员需要考虑各种不同的因素。仿真有助于满足这一需求。

如何在 COMSOL Multiphysics® 中模拟鼓泡

2018年 8月 22日

鼓泡是气体与液体之间的一种质量传递过程,常见于各种工业应用(比如饮料碳酸化作用和光生物反应器),乃至在家中给鱼缸充气,都属于这种现象。在本篇博客文章中,我们将详细介绍如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件对碳酸化作用这种鼓泡现象进行建模。

如何在 CFD 仿真中放置入口和出口边界条件

2018年 8月 20日

在建立流体流动仿真时,我们通常关注较大型系统中的单个(也可能是多个)组件,比如水处理厂中的泵或沉淀池。这自然而然地带来了一个问题:在不干扰过程的情况下,我们可以在多远的距离上应用边界条件?在本篇博客文章中,我们分析压缩率可忽略不计的均匀流体的内部和外部流动的入口和出口边界距离的效果。

CFD 基准模型:检测跨音速扩压器中流体流动

2018年 7月 30日

从家用暖通空调系统到航天器喷射器,扩压器在各个领域得到了广泛的应用。例如,扩压器常用于超音速飞机,比如其中的冲压式喷气发动机,用于减缓流体流动并增大静压。为了设计适用于超音速应用的跨音速扩压器,工程技术人员必须考虑高速湍流和激波等因素。正如本文中的基准模型所阐明的,这些复杂现象可以借助 COMSOL® 软件进行精确的分析。

通过仿真优化聚合物生产工艺

2018年 7月 4日

多孔喷嘴管式反应器用于生产聚合物(例如聚酯)。这种类型的反应器中的湍流会影响生产工艺,包括反应动力学、纤维质量、转化率和产率。通过开发充分考虑流体动力学和化学反应的反应器模型,可以优化反应器设计,高效、稳定地生产聚合物。


浏览 COMSOL 博客