CFD 模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本针对“CFD 模块”的用户新增了用于分析流过曲面的流动的 v2-f 湍流模型,新增了代数多重网格求解器 (AMG) 以显著改进 CFD 仿真求解,并添加了自动壁处理功能,可在湍流分析中得到高精度结果。请阅读以下内容,了解相关信息以及“CFD 模块”的更多更新和特征。

新增用于 v2-f 湍流模型的“流体流动”接口

新增的 v2-f 湍流模型是在 k-ε 湍流模型基础上扩展得到的,它可以为具有高度各向异性的湍流流动提供高精度解。通常在曲面附近发生的类似强湍流中可使用该湍流模型,例如图中所示的旋风分离器。这个模型成功地捕获了流动模式,包括自由涡流,这在旋风仿真中本来很难实现,使用标准两方程湍流模型基本上不可能实现。

使用 COMSOL Multiphysics 5.3 版中新的 v2-f 湍流模型模拟的旋风分离器的两个视图。 旋风分离器流动模型中的流线和压力场(左图)以及涡心(右图)。 旋风分离器流动模型中的流线和压力场(左图)以及涡心(右图)。

案例库链接:
旋液分离器中的流动

湍流的自动壁处理功能

用于壁面湍流的新功能在求解模型时支持在低雷诺数湍流模型公式与壁函数之间自动切换。默认情况下,可对以下湍流模型使用和选择此功能:代数 y+、L-VEL、k-ω、SST、低雷诺数 k-ω、Spalart Allmaras 以及 v2-f。

如果近壁网格分辨率足够,则使用低雷诺数公式。但是,当网格过于粗化时,将自动结合使用壁函数及选定的湍流模型。同一模型中可以切换使用这两种方法。用于湍流自动壁处理的功能提供网格分辨率支持的精度,同时也继承壁函数提供的鲁棒性。

演示 COMSOL Multiphysics 5.3 版本中自动壁处理功能的模型。 无量纲中壁的网格分辨率(该图中为北极光颜色图例)决定自动壁处理功能:低雷诺数湍流模型公式或壁函数。无量纲值越低,壁的网格分辨率越高,也就越适合使用低雷诺数湍流模型公式。 无量纲中壁的网格分辨率(该图中为北极光颜色图例)决定自动壁处理功能:低雷诺数湍流模型公式或壁函数。无量纲值越低,壁的网格分辨率越高,也就越适合使用低雷诺数湍流模型公式。

有关使用自动壁处理的示例,请访问以下“案例库”路径:
CFD_Module/Single-Phase_Benchmarks/pipe_elbow

湍流模型之间的自动转换

成功的湍流建模策略是从相对简单的湍流模型开始,以了解系统并对模型设置进行故障排除。有了可行的模型给出合理结果后,下一步可以使用更加复杂(也许计算成本更高)、精度更高的湍流模型。

为此,我们引入了一个新功能,将湍流变量的含义从一个湍流模型“转化为”另一个。这意味着您不必重新定义第二个湍流模型的域设置和边界条件。此外,可以使用现有的解作为初始条件,在第二个湍流模型问题的解中提高鲁棒性和转换速度。

CFD 的代数多重网格 (AMG) 求解器

平滑聚集代数多重网格 (SA-AMG) 方法已扩展为与 COMSOL Multiphysics® 中 CFD 的以下专用平滑器配合使用:SCGS、Vanka 和 SOR 线。

使用另一个几何多重网格 (GMG) 求解器通常需要考虑多个网格层,在尝试通过不同尺寸的各种几何细节对模型进行网格剖分和求解时,可能会出现问题。SA-AMG 求解器只需要一个网格层,对于大型问题和“复杂”几何来说,这使网格剖分过程变得简单许多,使求解过程变得稳定许多。

例如,在太阳能电池板的流-固耦合模型(见图)中,支撑电池板的支杆和梁与周围的空气域相比较小。这个尺寸差异导致很难对空气域以及较小的零件和组件进行网格剖分,如果要创建三个不同尺寸的网格,将更加困难。SA-AMG 求解器只需要一个网格层,更容易获得。

使用 COMSOL Multiphysics 5.3 版本创建的太阳能电池板模型。 流体流过太阳能电池板,其表面上的压力分布正在承受流-固耦合作用。支撑支杆和梁相对于周围空气域的尺寸差异在对模型进行网格剖分时带来挑战。使用 SA-AMG 求解器,求解过程只需要一个网格层,与需要三个网格层的 GMG 求解器求解过程相比,更快且更容易实现。 流体流过太阳能电池板,其表面上的压力分布正在承受流-固耦合作用。支撑支杆和梁相对于周围空气域的尺寸差异在对模型进行网格剖分时带来挑战。使用 SA-AMG 求解器,求解过程只需要一个网格层,与需要三个网格层的 GMG 求解器求解过程相比,更快且更容易实现。

高马赫数流动的新公式和教程

对于马赫数接近或高于 1 的非粘性流动,高马赫数流动 接口结合使用动量方程和能量方程。现在已通过开发动量方程式进行了改进,以获得更高的精度。此外,在“案例库”中引入了三个阐明超声速流的新教学模型:三维 Euler Bump、膨胀波以及超音速喷射器教程。这些示例都重现了科学研究的结果。


使用“CFD 模块”创建的菱形激波模型的拼图,以及 SR-71 喷气式飞机的图片。 超音速喷射器模型中超音速流的速度场中的菱形激波(左图)。SR-71 喷气式飞机引擎后的菱形激波(右图);图像来源:NASA。NASA 并不为 COMSOL Multiphysics® 软件做担保。 超音速喷射器模型中超音速流的速度场中的菱形激波(左图)。SR-71 喷气式飞机引擎后的菱形激波(右图);图像来源:NASA。NASA 并不为 COMSOL Multiphysics® 软件做担保。


有关新的高马赫数流动 教程,请访问以下“案例库”路径:
CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/euler_bump
CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/expansion_fan
CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/supersonic_ejector

新的内壁 边界条件

达西定律Richards 方程 以及两相达西定律 接口现在可以定义薄内壁。内壁 特征有利于避免对多孔介质中嵌入的不能渗透的薄结构(如挡土墙、固定板、平板等)进行网格剖分,从而减少了计算时间和资源。

新的薄壁垒 边界条件

达西定律 接口和 Richards 方程 接口中,现在您可以使用薄壁垒 边界条件在内部边界上定义可渗透壁。这些内部边界通常用于表示渗透性较低的薄结构。使用薄壁垒 边界条件,可以避免对土工织物或多孔板等薄结构进行网格剖分,从而减少了计算时间和资源。

新教程:涉及流动的亥姆霍兹共振器,流动与声学相互作用

亥姆霍兹共振器用于排气系统,因为它们可以使特定的窄频带衰减。系统中流体的流动会改变共振器的声学属性和子系统的传输损耗。在此教学模型中,亥姆霍兹共振器位于主管道的侧分支,研究主管道中引入流动时的传输损耗。

平均流动计算时采用马赫数为 Ma = 0.05 和 Ma = 0.1 的 SST 湍流模型。然后使用线性 Navier-Stokes,频域 (LNS) 接口求解声学问题。LNS 模型耦合了平均流速、压力和湍流粘度。所得结果与期刊论文中的测量结果进行了比较,大小及共振位置表明结果与测量数据完全一致(参见一维绘图)。需严格模拟衰减效应与流动效应之间的平衡,从而得到正确的共振位置。

注:此模型需要使用“声学模块”和“CFD 模块”。

涉及流体和声学相互作用的亥姆霍兹共振器。 位于主管道侧分支的亥姆霍兹共振器中的声压级分布(前)、表面流线(中)和背景流速幅值(后)。 位于主管道侧分支的亥姆霍兹共振器中的声压级分布(前)、表面流线(中)和背景流速幅值(后)。


来自“涉及流动的亥姆霍兹共振器,流动与声学相互作用”教学模型的一维绘图。 对三种流动构型使用 LNS 模型计算的传输损耗。 对三种流动构型使用 LNS 模型计算的传输损耗。


“案例库”路径:
Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

新的多孔介质反应流 接口

新增的多孔介质反应流 多物理场接口,大大简化了填充床反应器、整体式反应器以及其他多相催化反应器的建模。此接口中定义了多孔介质流的扩散、对流、迁移和化学物质反应,无需设置单独的接口再将其耦合。此多物理场接口自动结合非均相催化的模拟与多孔介质流和稀化学物质传递(或浓化学物质传递)所需的所有耦合和物理场接口。

由于此多物理场接口也包含了层流和湍流中的类似模拟,因此您可以切换或定义与其他各类流动模型的新耦合,而不必对相关的物理现象重新定义和设置新接口。在“设置”窗口中可以选择要模拟的流动类型以及化学物质传递,而不会丢失任何已定义的材料属性或反应动力学。这意味着,您可以在一个反应器中比较自由介质和多孔介质中的不同反应器结构或模型流动,即使这两种流态连续出现亦是如此(见图)。

使用“多孔介质反应流”接口创建的多孔微反应器模型。

多孔微反应器模型显示通过竖针注入自由流动的反应物的浓度等值面,自由流动中包含第二种反应物,随后将强制通过反应器的整装催化多孔介质部分。现在可以使用新增的多孔介质反应流 多物理场接口完全定义该模型。

多孔微反应器模型显示通过竖针注入自由流动的反应物的浓度等值面,自由流动中包含第二种反应物,随后将强制通过反应器的整装催化多孔介质部分。现在可以使用新增的多孔介质反应流 多物理场接口完全定义该模型。

有关使用新的多孔介质反应流 接口的示例,请访问以下“案例库”路径:
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_PorousCatalyst_porous_reactor

新的裂隙中的稀物质传递 接口

通常来说,裂隙的厚度相对于其长度和宽度尺寸非常小。在模拟这类裂隙中的化学物质传递时必须对裂隙表面的厚度进行网格剖分,而由于裂隙尺寸方面的较大差异,使其宽高比非常大,因此这类模拟通常非常困难。新的裂隙中的稀物质传递 接口将裂隙视为壳,因此仅需要将横向尺寸剖分为表面网格。

此接口支持定义平均裂隙厚度,以及裂隙可视为多孔结构这类情况中的孔隙率。对于化学物质传递,此接口中可以定义有效的扩散率模型来包含孔隙率效应。对流传递可以耦合到薄膜流动 接口,或通过包含您自己的方程来定义通过裂隙的流体流动。此外,还可以将化学反应定义为发生在裂隙内、其表面上或在裂隙周围的多孔介质中。

演示沿稍微弯曲的裂隙表面进行稀物质传递的示例。 沿轻微弯曲的裂隙表面传递稀物质。弯曲表面上含压印的蛇形路径通过存在流动和化学物质传递的表面。 沿轻微弯曲的裂隙表面传递稀物质。弯曲表面上含压印的蛇形路径通过存在流动和化学物质传递的表面。



多孔介质稀物质传递 接口中的裂隙表面

在裂隙、多孔三维结构中进行传递的情况下,新的裂隙 边界条件支持模拟薄裂隙中的传递,而不必将其剖分网格为三维实体。裂隙 边界条件包含在多孔介质稀物质传递 接口中(见图),且其设置与裂隙中的稀物质传递 接口中的相同(详见前面的描述)。流体流动和化学物质传递在三维多孔介质结构以及裂隙中的流体流动和化学物质传递之间无缝耦合。

下图显示了多孔反应器模型中的浓度场。此模型中,扭曲的裂隙将反应物从左到右“泄漏”到较远的多孔催化剂中,其速度要比多孔介质传递的速度快。这是因为与周围的多孔催化剂相比,裂隙表面的平均孔隙率要高得多,从而得到更快的质量传递速率。

使用 COMSOL Multiphysics 5.3 版本创建的裂隙表面模型。 通过三维反应器的浓度等值线和裂隙表面的表面浓度。裂隙表面的质量传递速率较高,使大量未反应的物质渗透(从右到左)到催化剂床中。我们可以看到,裂隙表面从右到左浓度的变化非常小(从 0.63 变为 0.62 mol/m3)。 通过三维反应器的浓度等值线和裂隙表面的表面浓度。裂隙表面的质量传递速率较高,使大量未反应的物质渗透(从右到左)到催化剂床中。我们可以看到,裂隙表面从右到左浓度的变化非常小(从 0.63 变为 0.62 mol/m3)。