使用 CFD 模块模拟流体流动应用

分析单相流和多相流的 CFD 建模软件

“CFD 模块”是 COMSOL Multiphysics® 仿真平台的附加产品,您可以使用该模块来定义和研究流体流动系统以及与其他物理现象耦合的流体流动系统。

“CFD 模块”提供的各种工具可用于模拟流体流动基础分析,包括:

  • 不可压缩流动和可压缩流动
  • 层流和湍流
  • 单相流和多相流
  • 自由和多孔介质流动以及开放域中的流动
  • 薄膜流动

这些功能通过结构化流体流动接口实现,支持您定义、求解和分析二维、二维轴对称和三维中的时变(瞬态)和稳态流动问题。除上述列表以外,“CFD 模块”还包含定制功能,用于求解非牛顿流体、旋转机械和高马赫数流动等问题。

在模型中实现多物理场耦合的功能对流体流动分析来说非常重要。借助“CFD 模块”,您可以在分析流体流动问题的同一软件环境中同时模拟共轭传热和反应流。与 COMSOL® 产品套件中的其他模块结合使用时,还能实现其他多物理场功能,例如流-固耦合。

Did You Know? 物理场接口是针对特定物理领域的用户界面,用于定义方程,并包含有关网格生成、求解器、可视化和结果的设置。

CFD 模块支持的仿真对象

当您加入“CFD 模块”对 COMSOL Multiphysics® 进行功能扩展后,除了可以访问 COMSOL Multiphysics® 软件平台的核心功能外,还能够访问适用于 CFD 仿真的专用特征。下面列出的所有特征均通过关联的物理场接口实现。在定义和求解这些问题时,默认情况下,流体作为不可压缩流体建模,但只需从列表中进行选择,即可与弱可压缩流体或完全可压缩流体互换。

层流和蠕动流

层流蠕动流 接口提供的功能支持为雷诺数相对较低的瞬态流动和稳态流动建模。流体粘度可能取决于流体的局部组成和温度,或与流体流动组合建模的任何其他物理场。对于非牛顿流体,您可以使用幂律Carreau 等预定义的粘度流变模型轻松建立模型。

一般来说,密度、粘度和动量源可以是温度、成分、剪切速率、其他任何因变量以及因变量导数的任意函数。您可以使用这些设置来定义任何粘弹性流动模型。

通过喷嘴注入的聚苯乙烯溶液模型。 本例使用非牛顿 Carreau 模型,模拟了通过喷嘴注入的线性聚苯乙烯溶液在流动过程中的剪切速率相关粘度。

湍流

“CFD 模块”的相应流体流动接口提供一组综合的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)湍流模型。以下湍流模型适用于瞬态流动和稳态流动:

两方程模型

  • k-ε 模型
    具有可实现性约束的标准 k-ε 模型
  • Realizable k-ε 模型
    满足可实现性的修正系数 k-ε 模型
  • k-ω 模型
    具有可实现性约束的修正 Wilcox k-ω 模型(1998)
  • SST 模型
    自由流中 k-ε 模型与近壁 k-ω 模型的组合
  • 低雷诺数 k-ε 模型
    AKN k-ε 模型,可以求解近壁流动

其他输运方程模型

  • Spalart-Allmaras 模型
    为空气动力学应用开发的带旋转修正的单方程模型
  • v2-f 模型
    k-ε 模型的扩展模型,通过求解壁法向湍流速度脉动来分析湍流各向异性

代数湍流模型

  • 代数 y+ 模型
    • 首先使用雷诺数根据局部速度和空间壁距离求解粘性单元中的壁距离,从而计算湍流粘度
    • 稳定且计算效率高,但与其他更复杂的模型相比,结果不够精确
  • L-VEL 模型
    • 首先使用雷诺数基于局部速度和空间壁距离求解粘性单元中的壁平行速度,从而计算湍流粘度
    • 稳定且计算效率高,但与其他更复杂的模型相比,结果不够精确

壁处理

您可以根据以下列表将湍流接口与各种类型的壁处理功能相结合:

  • 壁函数
    • 稳定且适用于粗化网格
    • 精度有限
    • 光滑壁和粗糙壁
    • 支持用于 k-ε、Realizable k-ε 和 k-ω
  • 低雷诺数处理
    • 求解近壁流动
    • 精确
    • 需要细化网格
    • 支持用于除标准 k-ε 和 Realizable k-ε 以外的所有湍流模型
  • 自动壁处理
    • 在低雷诺数处理与壁函数之间切换
    • 根据局部网格分辨率,可以得到精确结果
    • 继承壁函数提供的稳定性
    • 默认用于除标准 k-ε 和 Realizable k-ε 以外的所有湍流模型

用户定义的湍流模型

您可以直接在图形用户界面(GUI)中更改或扩展模型方程,创建定制的湍流模型。

管道弯头中的湍流模型。 自动壁处理功能在模型中的高分辨率边界使用低雷诺数方法(蓝色),而在不需要高分辨率的边界(直管段)切换为壁函数法(红色)。

薄膜流动

“CFD 模块”提供薄膜流动,壳 接口,用于描述机械运动部件或断裂结构之间的薄油膜等薄域中的流动。该公式通常用于模拟润滑作用、弹性流体动力学,或运动部件之间由于存在气体或液体而产生的流体阻尼效应(例如在 MEMS 中)。

薄膜流动,壳 接口可用于制定并求解狭窄结构的流动雷诺方程,并使用薄层结构厚度上的平均流函数来表示质量和动量平衡,这意味着厚度无需进行网格剖分。此功能有助于避免跨间隙的网格剖分问题,从而节省计算时间。

可倾瓦轴承中的薄膜流动建模示例。 可倾瓦轴承薄液膜中的压力和流动。图中显示由于流动和压力引起的固体结构变形,并乘以约为 4000 的因子。

多相流

在分离的多相流系统中,您可以使用表面追踪方法为气泡、液滴以及自由表面的特性进行详细建模和仿真。对于此类情况,您可以使用分离多相流的表面追踪技术来详细描述相界的形状,包括表面张力效应。

对于包含大量气泡、液滴或粒子的系统,如果它们相比于计算域来说较小,则可以使用分散多相流模型进行分析。这些模型可以跟踪不同相的质量分数以及分散的气泡、液滴或粒子在平均意义上对流体中动量传递的影响。

以下分离和分散的多相流模型适用于瞬态流动和稳态流动:

分离多相流模型

  • 水平集方法
    • 用于层流和湍流
    • 采用自适应网格细化来解析相之间的相界
    • 跟踪与单相流中的气体接触的自由液体表面
  • 相场方法
    • 用于层流和湍流
    • 用于层流的三相流模型
    • 采用自适应网格细化来解析相之间的相界
    • 跟踪与单相流中的气体接触的自由液体表面

分散多相流模型

  • 气泡流模型
    • 用于层流和湍流
    • 用于液体中体积分数相对较小(< 0.1)的分散气泡
    • 假设气泡相对于连续液体不加速(平衡)
    • 稳定且节省计算资源
  • 混合物模型
    • 类似于气泡流模型,但更为通用
    • 精确描述液体中的气泡、液-液乳化、气溶胶和悬浮在液体中的固体粒子,假设分散相相对于连续相的加速度可以忽略不计(平衡)
    • 与气泡流模型相比,更消耗计算资源,但相对来说仍比较节省计算资源
  • Euler-Euler 模型
    • 用于层流和湍流
    • 最通用的分散多相流模型
    • 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粒子
    • 典型应用:从液体洗气到流化床建模
    • 最消耗计算资源
使用 COMSOL Multiphysics 及附加的“CFD 模块”模拟三相流的示例。

使用三相流,相场 接口为分离三相流问题进行建模。

多孔介质流动

借助“CFD 模块”,您可以使用三种不同的多孔介质流动模型轻松模拟多孔介质流体流动。

多孔介质流动模型

  • 达西定律
    • 以稳定且节省计算资源的方式描述多孔结构中的流动
    • 适用于两相流
  • Brinkman 方程
    • 对达西定律的扩展,分析由粘性剪切引起的动能耗散
    • 与高孔隙率的高度开放结构相关
    • 达西定律 接口应用更普遍,因此需要更多的计算资源
  • 自由和多孔介质流动
    • 将多孔域中的流动与开放域中的层流或湍流相耦合
    • 制定用于多孔域的 Brinkman 方程和用于自由流动的层流或湍流方程

高马赫数流动

模拟可压缩流体在层流和湍流状态下的跨声速和超声速流动。层流模型通常用于低压系统,并能够自动定义理想气体的动量、质量和能量平衡方程。k-ε 和 Spalart-Allmaras 湍流模型支持分析高马赫数流动。

COMSOL® 软件可自动制定与理想气体的动量和质量平衡方程耦合的能量方程。在这两种情况下,对这些模型进行网格剖分时,自动网格细化通过细化速度和压力梯度非常高的区域来解析激波形状。

使用 COMSOL Multiphysics 及附加的“CFD 模块”模拟高马赫数流动的示例。 使用针对高马赫数湍流的接口为喷射器产生的超声速流的速度场中的菱形激波进行建模。

旋转机械中的流体流动

混合器和泵等旋转电机在产生流体流动的过程和设备中非常常见。“CFD 模块”提供旋转机械接口,可以定义旋转坐标系中的流体流动方程,适用于单相层流和湍流。您可以使用旋转系统的全瞬态描述来定义和求解问题,也可以使用基于冻结转子近似的平均方法,后者能够有效节省计算资源,可用于计算平均速度、压力变化、混合水平、平均温度和浓度分布等。

总的来说,“CFD 模块”不仅可以求解旋转坐标系中的流体流动问题,还能够求解任何 动坐标系中的此类问题。您可以使用动坐标系来求解两个结构之间存在流体流动时,其中一个结构相对于另一个结构的滑动问题,采用动网格可以轻松建立并求解此类问题。

使用 COMSOL 软件为旋转机械中的流体流动建模的示例。 本例使用旋转机械湍流模拟离心泵中的流场和压力场。

创建实际的多物理场模型

在许多情况下,流体流动模型都与其他现象相耦合,例如传热、结构力学、化学反应或电动流动和磁流体力学中的电磁场。由于“CFD 模块”为常见的耦合现象提供了现成的多物理场接口,因此在 COMSOL Multiphysics® 中模拟多物理场现象与模拟单物理场问题没有什么不同。

“CFD 模块”提供专用的物理场接口,用于定义流体域和固体域中的传热与流体域中的流体流动相耦合的模型。这种类型的模型是共轭传热模型,这意味着流体流动方程在流体域中进行定义和求解,而传热方程则在固体域和流体域中进行制定和求解。

对于使用低雷诺数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,这是非等温流动接口的默认设置。非等温流动 接口可自动定义热壁函数,支持您使用包含壁函数的湍流模型来模拟湍流共轭传热。

通过使用低雷诺数公式和热壁函数选项,您可以轻松定义和求解与湍流结合的共轭传热问题。

 

结构力学模块结合使用时,您可以定义并求解层流和湍流的流-固耦合(FSI)问题。“CFD 模块”提供两个 FSI 选项:

  1. 单向 FSI 耦合,其中流动在结构上产生载荷,但由于变形非常小,对流动的影响可以忽略不计
  2. 双向 FSI 耦合,其中流动在结构上产生载荷,但变形非常大,会通过改变流体域的形状对流动产生影响

双向耦合用于定义流体域中的动网格问题。固体-流体表面的位移由流体施加的力与变形固体结构施加的反作用力的平衡来确定。对于层流和湍流的单向和双向 FSI 问题,均可执行稳态和瞬态研究。

 

您可以使用“CFD 模块”为湍流和层流的反应系统进行建模,从而研究和设计反应器、搅拌器,以及发生化学反应和流动的其他任何系统。反应流接口能够描述稀和浓混合物中的多组分传递,其中浓溶液常使用多组分传递的混合平均模型进行分析。

全 Maxwell-Stefan 多组分输运方程可与化学反应工程模块结合使用。对于湍流反应流,涡耗散模型用于描述稀释和浓缩溶液反应项中的湍流脉动。它还可自动分析反应边界等位置的 Stefan 项,支持模拟浓混合物中的多组分传递。

使用 COMSOL 软件为反应流建模的示例。

本例使用反应湍流 接口模拟多孔喷射反应器中反应物的等浓度表面。

搅拌器模块通过添加用于旋转机械的多相流和自由表面,对“CFD 模块”的功能进行扩展。此外,您还可以访问“零件库”,使用其中内置的叶轮和容器,简化几何创建过程。这两个特征都非常适用于制药和食品行业的建模过程。

使用 COMSOL 软件为搅拌器建模的示例。 本例模拟带有三个叶轮的搅拌器,结果图显示了自由表面的流型和形状。

“CFD 模块”中用于分散流动的多相流接口将分散相作为一个物理场,其中,分散相的体积分数是模型变量。通过将“CFD 模块”与粒子追踪模块结合使用,您可以模拟欧拉-拉格朗日多相流模型,其中的粒子或液滴作为刚性粒子建模。在单独为刚性粒子建模的情况下,流体与粒子的相互作用是双向的,其中粒子也会影响流体流动。此外,在研究体积分数相对较小的粒子时,欧拉-拉格朗日模型可以节省计算资源。

 

管道流模块可以定义管道和通道网络模型,其中,流体流动方程可以沿直线和曲线求解。通过与“CFD 模块”相结合,您可以创建高保真仿真,包括连接到二维或三维流体域的管道和通道,这些流体域中包含不可压缩流动、弱可压缩流动、非等温流动以及反应流。

适用于求解 CFD 问题的通用功能

COMSOL Multiphysics® 中构建仿真时,您可以在所有附加模块中采用一致的工作流程。“CFD 模块”提供专用的流体流动仿真功能,可最大限度地提高 CFD 分析所需的性能和精度。以下是特定于 CFD 的一些特征:

几何

围绕导入的 CAD 几何生成流动域,例如边框。您可以自动或手动移除 CAD 表示中与流体流动无关的细节。

材料

“CFD 模块”内置的“材料库”包含最常见的气体和液体。您还可以结合使用“化学反应工程模块”,调用气体的常用物理属性(如粘度、密度、扩散系数和导热系数)。

网格剖分

“CFD 模块”中的物理场控制网格功能可以在流体流动问题中加入边界条件,从而计算精确解。系统可以自动生成边界层网格,便于您求解常在应用壁条件的表面产生的速度梯度。

离散化

流体流动物理场接口使用伽辽金最小二乘法对流动方程进行离散,并在空间(二维、二维轴对称和三维)中生成数值模型。试函数用于稳定输运方程中的双曲项和压力项。激波捕捉技术可进一步减少寄生振荡。此外,间断伽辽金公式可用于使内部和外部边界上的动量、质量和能量守恒。

求解器

流动方程通常呈高度非线性。自动求解器设置可以选择合适的阻尼牛顿法来求解数值模型方程。对于大型问题,牛顿法的线性迭代可通过专门为传输问题设计的最新代数多重网格或几何多重网格方法进行加速。

对于瞬态问题,通过采用自动时间步进和自动多项式阶数的时间步进技术,并结合上述非线性求解器,能够实现以尽可能高的精度求解速度场和压力场。

后处理

流体流动接口可以生成许多默认绘图,供您分析速度场和压力场。您可以轻松访问大量派生值和变量来提取分析结果。

CFD 模型网格示例。 Ahmed 体的基准 CFD 模型。壁表面的边界层网格以蓝色突出显示。
使用自适应网格细化的喷墨液滴模型。 适时进行的自适应网格细化。软件采用更密集的网格对喷墨液滴(灰色等值面)周围和投影的液滴直接路径中的相界进行细化,在液滴和空间之间产生清晰的相界。

构建仿真 App,简化 CFD 仿真

您可以使用 COMSOL Multiphysics® 中的“App 开发器”为任何现有模型构建用户界面。借助这一工具,您可以针对特定目的创建定制的 App,并在其中包含明确定义的输入和输出。App 可用于多种目的:

  • 通过录制 GUI 操作自动执行可与单个命令关联的困难任务和重复任务,这些操作能是难以正确重现的复杂参数化序列
  • 根据特定的例程在大量参数化仿真基础上创建并更新报告,从而最大限度地提高参数重现性和质量
  • 为特定模型提供用户友好的界面,借助 App 帮助建模和仿真方面的非专业人员加速理解,并从强大的优化功能中受益
  • 在组织内部增加对模型的访问量,借助仿真进行产品开发和设计,使组织获得最大的投资回报
  • 通过向客户提供简单易用的 App,让客户基于其中嵌入的高精度模型在产品选择方面作出最佳选择,从而赢得竞争优势
模拟水处理池设计的 App 示例。 “水处理池”App 演示如何使用参数化几何序列;边界条件自动定义的累积选择;以及如何构建易于使用的定制 App 的图形用户界面。

下一步:
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每个公司、每个仿真需求都是独特的。 为帮助您充分评估 COMSOL Multiphysics® 软件是否能满足您的需求,请联系我们。 通过与我们的销售代表进行交流,您将能得到个性化的建议和完整的案例文档,帮助您在产品评估过程中获取实用信息,并针对您的需求选择最佳的许可证。

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