CFD 模块

计算流体力学仿真的相关多物理场解决方案

CFD 模块

挡板湍流反应器近似二维模型与三维模型的流场对比。

流体流动的所有相关应用

CFD 模块是利用复杂流体流动模型仿真仪器和系统的平台。与 COMSOL 模块套件中的其它模块一样,CFD 模块提供了现成的物理接口,这些物理接口通过图形用户界面 (GUI) 定义模型输入并生成模型方程。CFD 模块的特定物理接口使您可以模拟大多数的流体流动过程,包括可压缩流、非等温流、非牛顿流、两相流和多孔介质流,这些流体类型全部属于层流和湍流范畴。CFD 模块是计算流体动力学 (CFD) 仿真的标准工具;在某些多物理场模拟应用中流体流动过程非常重要,此时 CFD 模块可以与 COMSOL 模块套件中的其他模块耦合。

CFD 模块 GUI 允许您访问模拟过程中的所有步骤。这包括:

  • 选择合适的流体模型,例如单相流或两相流、层流或湍流等。
  • 创建或导入模型几何
  • 定义流体属性
  • 添加源项和汇项,或编辑底层方程(如需要)
  • 选择网格单元类型并控制不同区域的网格密度
  • 选择并设置求解器(如需要)。


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  • 静态混合器中的流场,通过粒子追踪观察混合程度。 静态混合器中的流场,通过粒子追踪观察混合程度。
  • 使用旋转机械接口模拟的挡板搅拌器流场。 使用旋转机械接口模拟的挡板搅拌器流场。
  • 非等温流:置换通风系统的仿真,绘制了内部的温度等值面。该模型使用 k-ε 模型来仿真非等温湍流。 非等温流:置换通风系统的仿真,绘制了内部的温度等值面。该模型使用 k-ε 模型来仿真非等温湍流。
  • 两相流:使用 Euler-Euler 模型进行循环流化床模拟,这里气体对固体颗粒进行流化,并通过垂直升管输送。 两相流:使用 Euler-Euler 模型进行循环流化床模拟,这里气体对固体颗粒进行流化,并通过垂直升管输送。
  • 非牛顿流体:聚苯乙烯溶液的剪切速率、动态粘度和体积流量,以及等效牛顿流体的体积流量,这些均为压强的函数。 非牛顿流体:聚苯乙烯溶液的剪切速率、动态粘度和体积流量,以及等效牛顿流体的体积流量,这些均为压强的函数。
  • 湍流:利用 SST 湍流模型对围绕机翼的流场的基准研究。图片显示了沿机翼的压强系数的计算结果(线)和实验结果(点),其中的实验数据仅在低压侧上采集 [参考:N. Gregory 和 C. L. O’Reilly,“Low-Speed Aerodynamic Characteristics of NACA 0012 Aerofoil Section, including the Effects of Upper-Surface Roughness Simulating Hoar Frost”,A.R.C., R. & M. No. 3726, 1970]。 湍流:利用 SST 湍流模型对围绕机翼的流场的基准研究。图片显示了沿机翼的压强系数的计算结果(线)和实验结果(点),其中的实验数据仅在低压侧上采集 [参考:N. Gregory 和 C. L. O’Reilly,“Low-Speed Aerodynamic Characteristics of NACA 0012 Aerofoil Section, including the Effects of Upper-Surface Roughness Simulating Hoar Frost”,A.R.C., R. & M. No. 3726, 1970]。
  • 非牛顿流体:聚苯乙烯溶液的剪切速率、动态粘度和体积流量,以及等效牛顿流体的体积流量,这些均为压强的函数。 非牛顿流体:聚苯乙烯溶液的剪切速率、动态粘度和体积流量,以及等效牛顿流体的体积流量,这些均为压强的函数。

适用于任何类型流体的物理接口

整合了描述不同流体流动类型的工具,并可在易用的物理接口中使用。这些接口的底层方程定义了流体流动的动量守恒、质量守恒和能量守恒方程,并考虑通过多物理场耦合对其他物理场的影响。此外,它们还生成了这些方程的数值稳定形式,供 COMSOL 用于稳态或瞬态问题的空间有限元离散与时间导数的有限差分。物理接口会对数值稳定形式进行调整,使之适应定义好的流体属性和函数,并且还会根据所描述的流动类型,给出求解器的建议配置。专业定制的物理接口可用于以下类型的流体流动:

  • 单相流: CFD 模块可以求解多种形式的 Navier-Stokes 方程,模拟所有速度范围的流体。这包括低速流体或蠕动流(Stokes 流)、层流和弱可压缩流以及湍流。湍流模型使用雷诺平均 Navier-Stokes (RANS) 方程,包含 k-ε、低雷诺数 k-ε、k-ω、SST(剪切应力输运)和 Spalart-Allmaras 湍流模型。

    您可以选择控制 Navier-Stokes 方程中的所有变量和湍流模型中的任意项。例如,您可以考虑来自其他耦合物理接口的基于模型变量的方程。此外,还有许多额外的工具可以协助湍流模型的求解过程。其中包括定义壁函数和边界层网格、混合网格的工具,以及其它用于调整网格大小和网格位置的工具。
  • 非等温流:与传热耦合时,缺省情况下会考虑层流和湍流中的热致浮力。CFD 模块包含了用于非等温和共轭传热的预定义多物理接口。该模块可以结合任意的多物理场耦合来定义弱可压缩流,即马赫数小于 0.3 的流体。
  • 可压缩流: CFD 模块也能够模拟马赫数大于 0.3 的可压缩流,其中,由传热、压缩做功或摩擦力做功导致的温度变化会产生显著的压缩效果,例如激波。COMSOL Multiphysics 中内置的自适应网格剖分功能可以极大地帮助解析激波和流体流动分布曲线中变化剧烈的区域。
  • 两相流:由用户选择模拟两相流的物理接口和方程。CFD 模块会采用相场或水平集方法追踪两种或多种不相容流体的移动相界面。

    CFD 模块还包含用于分散两相流体流动模型的物理接口,通过气泡流模型、混合物模型和 Euler-Euler 模型等方法描述含有大量悬浮颗粒、液滴或气泡的流体。后一种方法可以处理频繁碰撞且相态之间相对速度变化很大的高浓度气泡。传热模块还包含用于模拟冷凝和潮湿空气的接口,其中的相态变化使用 COMSOL Multiphysics 中的内置阶跃函数描述。
  • 多孔介质流:使用 CFD 模块,您还可以采用 Darcy 定律或 Darcy 定律的 Brinkman 扩展形式,模拟单相流和两相流在多孔介质中的传递。Darcy 定律适用于孔隙足够小可以忽略粘性效应的多孔介质,因而流动由压强差驱动,而 Brinkman 方程则包括了粘性项。此外,还内置了用于模拟自由流道和多孔介质之间界面的内部边界。
  • 旋转机械:旋转机械接口用于描述几何结构动态变化的旋转部件,例如搅拌机中的叶片,或流体域中螺旋桨的旋转翼片。还可以利用附加额外流体方程项的冻结转子接口近似地模拟旋转过程,而不需要在仿真计算时改变几何结构。该物理接口使用的计算资源比求解实际旋转少得多,它会在稳态 Navier-Stokes 方程中添加离心力或科里奥利力,为模拟涡轮机、离心分离机和搅拌机等提供良好的近似模拟。此外,还提供了可用于模拟旋转流动的涡流接口。该物理接口定义了轴对称模型的面外涡流速度分量,即在二维模型中定义了三维速度矢量,这与全三维模型相比也可以降低计算量。
  • 薄膜流: CFD 模块中内置的专业物理接口,用于模拟液体或者气体在两个表面间的薄层中,或一个表面上的流动,例如润滑油。
  • 非牛顿流体: CFD 模块内置了 Carreau 模型和幂律定律模型,但您也可以通过自定义方程或导入外部数据来描述聚合物和其他非牛顿流体的黏度和剪切速率。例如,您可以通过这种方式定义粘弹性模型。COMSOL Multiphysics 中内置了阶跃函数,可以用于模拟流体属性中的巨变或突变,例如,描述 Bingham 流体。
  • 通过薄滤网的流体:使用内置的薄滤网功能,可以更简便地模拟流体穿过孔板、格栅和丝网的过程。它含有折射系数和阻力系数的相关性,考虑了通过滤网的流体的影响,以及在层流或湍流通过滤网前后的影响。
  • 流体流动与传热: CFD 模块包含了一个共轭传热接口,用于描述固体和流体中全耦合传热,包括层流和湍流。缺省情况下,这可以求解非等温流,并且可以与包含温度场的任何其他物理接口相耦合,例如,传热模块中的表面对表面辐射接口、焦耳热接口,以及化学物质传递中的反应热接口。此外,多孔介质传热物理接口会将耦合固体基体与流体中的热传导和热对流,并同时考虑流体所经过的曲折路径,以及由此产生的热耗散。
  • 反应流:专业接口,耦合层流、湍流与稀物质传递、浓物质传递,您可以将该接口与化学反应工程模块中的化学反应接口耦合。

除了内置公式之外,您还可以定义并在编辑区域中输入由模型变量构成的任意函数表达式,用来引入源项或汇项、定义材料属性或边界条件。例如,您可能希望使用自己的函数定义一些物理属性,以描述成分、温度、剪切速率或任何其他模型变量的影响。您可能还希望定义边界条件、源项与汇项,它们是模型变量的函数,或与其它物理场的耦合。您可以直接在 GUI 中执行该操作,而不需要引入繁琐的用户子程序。由于能够定义任意的模型变量方程(例如,在域横截面或控制体中求平均),所以还可以通过使用雷诺数、马赫数和格拉晓夫数的不同表示形式来描述流体流动的特征。

在添加源项、汇项或以函数方式定义物理属性的进一步步骤中,您还可以编辑上述物理接口的底层方程,即修正流动方程或创建更多与其他物理接口的非标准耦合。

许多物理接口还提供了复杂边界条件的设置。除了滑移和无滑移边界条件,您还可以通过设置壁边界来仿真滑动壁、移动壁、渗漏壁乃至开口边界等边界条件。对于湍流模型,可以定义壁函数及其相关的调节参数。对于入口和出口,可以配置压强、应力或质量流等条件,也可以配置速度或速度场轮廓线,以及周期性流动边界条件(将一个边界的出口流动链接到另一个边界的入口)。在模拟重复单元几何体的单个单元体时,周期性边界条件会很有用。

多物理场和多学科仿真的统一平台

流体流动是许多生产过程和应用的主要部分,必须了解流动过程并根据流场对其它过程的影响而进行系统优化。计算机硬盘的有效散热、加速计阻尼膜内的能量耗散,以及化学反应器不同区域的物质传递,都是流体流动对其他物理场过程产生影响的示例。但在现实中,电子器件所散发的热量会影响流体的密度。弹性加速计会在流场内产生振荡,化学反应会引起组分变化并且可能改变流体流动的驱动力。这意味着为了全面准确地描述整个过程必须考虑这些因素的影响。

通过不同物理场的无缝耦合,并直接无阻碍地在 GUI 中的访问模型方程,COMSOL Multiphysics 和 CFD 模块可以帮助描述此类过程。此外,您还可以配置流体结构相互作用 (FSI) 的双向耦合机理。此功能可以模拟流固强耦合过程:流体使结构发生形变,而结构形变反过来又影响流体流动。CFD 模块中的所有物理接口都可以与 COMSOL 产品套件中的任何其他模块耦合,为考虑计算流体动力学的应用提供了标准平台。

除了 CFD 模块之外,COMSOL 还提供了其它一些仿真流体流动的模块,这些模块仍然可以简便地耦合并同时利用两者的优点。例如,管道流模块使用边界单元模拟二维或三维管道网络中充分发展的流体,定义了管道切向方向上的平均速度分量。这使您可以模拟过程中与罐相连的管道网络中的流动,而不必对管道网络中的横截面进行网格剖分,而这会产生大量的三维网格单元。COMSOL 可以无缝地将数据从边映射到二维面和三维体(反之亦然),从而可以将管道网络与横截面完全网格剖分的二维或三维几何模型相耦合。通过这种方式,您可以考虑整个管道网络内任一单元的计算流体动力学属性,并调节两个相连装置的操作条件。

由于所有物理场均使用标准图形用户界面和建模流程进行模拟,CFD 工程师可与其他工程师方便地进行沟通,分析同一组件或过程的不同特性(例如结构、电气或化学属性)。您所要做的就是发送文件、删除不需要研究的物理场、添加一个或两个新物理接口,再继续模拟。当然还要将新物理接口耦合到流场中,从而实现对组件或过程的全多物理场仿真。

逐步逼近最终 CFD 解

设备或过程中的计算流体动力学仿真工作通常是一套逐步接近最终准确解的建模流程。CFD 模块包含了多种不同的工具、功能、设置和接口来协助您完成建模流程中的所有步骤。

CAD 导入模块 或任一 LiveLink 模块可以协助您从第三方 CAD 软件中导入要仿真的部件、组件或过程的几何结构。这些模块允许您随后对几何进行修正,以减少对于建模流程不重要,但会使 CFD 仿真的网格剖分变复杂的小细节和瑕疵。

三维 CAD 导入到 CFD 模块中之后,您可能并不希望立即执行三维仿真。在三维 COMSOL Multiphysics 几何模型中可以创建二维模拟工作区。通过处理二维几何结构(例如典型的横截面),您可以让自己熟悉仿真中的许多参数。无需调用三维模型所必需的大量计算资源,您就可以:

  • 研究流体属性对于整体仿真的影响
  • 选择合适湍流模型来使用
  • 确定合适的网格剖分与边界层网格的位置
  • 选择求解器及其设置
  • 研究多物理场耦合对流体流动的影响
  • 三维模型的精度估计

有了对系统更多的了解,利用二维模型中获得的知识和优化设置您可以执行完整的三维仿真。该功能对于处理对称或轴对称三维 CAD 设计也特别有用,也可以避免全部三维模拟,并显著地降低计算需求。

提高网格剖分和鲁棒求解灵活性的工具

对于设备或过程中的计算流体力学仿真来说,网格剖分通常是一个关键步骤。网格必须足够细以提供必要的精度,但又不能太密以致耗费计算资源。COMSOL Multiphysics 提供了多种网格剖分工具,以确保优良的流体流动仿真网格。这包括创建非结构化、结构化或扫掠网格,可以灵活地考虑模拟域的几何尺寸与比例,以及对于流动方向的影响。CFD 模块还采用边界层网格在壁之类的边界插入结构化网格层,并将它们整合到周围的结构化或非结构化网格中,成为一个整体的混合网格。

CFD 模块使用 COMSOL Multiphysics 自带的大多数线性、非线性、瞬态和参数化求解器。这包括具有良好收敛性的用于求解二维和小型三维模型的直接求解器,以及用于大型复杂模型的迭代求解器。预处理器和多重网格求解器可与其他求解器配合工作,以确保获得解。软件提供了高级求方法,例如侧风扩散、流线扩散以及平滑方法,其参数值可以与大多数其他求解器一起进行微调。CFD 模块还可以在同一模型中采用不同离散阶次的单元,可以应用低阶次的单元来求解某个变量(例如压强),使用高阶次的单元来求解其他变量。

通过求解器配置方案,还可以更好地逼近求解过程的初始值。这包括先求解简单流场,例如某个模型域内的层流场,再将该结果做为湍流模型的初始猜测值。将冻结转子接口的解用作旋转域全仿真模型的初始猜测值,可以节省大量的计算资源。

从 CFD 仿真中获得精确的描述数据

CFD 模块可以计算流体流动的固有属性,例如:流动模式;压降;物体所受流体作用力、阻力、升力;温度分布;以及系统的流体组分变化。此外,CFD 模块还提供表面、流线、流带、箭头等定性后处理方式,以及定性粒子追踪图和动画。底层方程中所有的参数和变量以及额外项的数据均可供访问、提取,并可与任何其他参数或变量进行绘图对照。这包括后处理派生值,例如升力系数和阻力系数。在 CFD 问题求解中耦合粒子追踪物理场,您可以考虑粒子的碰撞和自身动量对流场 (Lagrange-Euler) 的影响,以及粒子之间的相互作用。

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