搅拌器模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本为“搅拌器模块”的用户更新了湍流模型,现在所有湍流模型均可用于旋转机械、混合物模型和气泡流,并通过动网格改进了旋转机械接口的建模工作流程。请阅读以下内容,了解相关信息以及“搅拌器模块”的更多更新功能。

所有湍流模型现在均可用于旋转机械

新版本的“CFD 模块”包含现成的公式,与旋转机械结合使用时可选用所有湍流模型。由此,对任意湍流模型模拟旋转机械中的湍流变得更加简单,而之前这种建模必须在旋转坐标系中手动定义。

离心泵模型。 新的湍流模型与旋转机械相结合后模拟的离心泵模型。 新的湍流模型与旋转机械相结合后模拟的离心泵模型。

所有湍流模型现在均可用于“混合物模型”和“气泡流”接口

气泡流混合物模型 接口现在包含所有湍流模型,以及除固有的基于壁函数定律的 k-ε 和 Realizable k-ε 公式之外的自动壁处理。此外,这些接口中还可以使用内壁边界条件,因此可以处理叶轮、转子、挡板、翅片等,而无需对薄壁进行网格剖分。

 

湍流气泡流的基准模型,其中使用了气泡导致的湍流。动画显示自下往上观察时的气泡体积分数。

通过动网格改进旋转机械接口

旋转机械,流体流动 接口得到了改进,旋转域 节点已从流体流动物理场中分离出来。添加相关任一个接口后,除了会添加单相流接口外,还会在定义 > 动网格 下添加旋转域 节点。经过这一改进,您现在可以将任意流体流动接口与旋转机械相结合。这样做增强了建模的灵活性,而在旋转机械和独立的动网格中定义流体流动仍非常简单,与前几版 COMSOL Multiphysics® 中的相同。动网格控制模型中的空间坐标系,适用于模型中域发生旋转的所有物理场接口。例如,这简化了混合器和搅拌反应器中流体流动与化学物质传递的组合。

 

在缓慢混合的液体溶液教学案例中,使用了新的旋转机械接口进行层流建模。旋转机械接口还适用于所有湍流模型,包括搅拌更剧烈的搅拌器和釜式反应器。

浮力导致的湍流

浮力会在流体本体中引入体积力,从而不可避免地引起不稳定性。流动中的这些不稳定因素会逐渐变得混乱,最终导致湍流。“CFD 模块”中的重力 特征用于为浮力建模,现在新增了一个选项,支持在模型中考虑浮力产生的湍流,通过选中相应的复选框即可实现该功能。随后,可以使用非等温流动 多物理场耦合来自动定义这一湍流形成因素,也可以通过用户定义的湍流施密特数进行定义。

用于充分发展的湍流的入口边界条件

用于充分发展的湍流的入口 边界条件可以在入口横截面提供速度剖面和湍流变量值,其中假设入口通道上游具有一定的长度,并且流动已充分发展。在以前的 COMSOL® 软件版本中,需要模拟一个非常长的通道入口截面,才能为横截面的速度剖面做出合理的估计。新的边界条件无需额外的几何便能给出非常精确的入口速度分布,因此有效节省了计算资源。

充分发展的湍流建模示例。 使用充分发展的湍流入口条件模拟的具有星形横截面的喷嘴入口。 使用充分发展的湍流入口条件模拟的具有星形横截面的喷嘴入口。

新增 Realizable k-ε 湍流模型接口

新的湍流,Realizable k-ε 接口中添加了常用的 RANS 湍流模型,您现在可以使用更为丰富的湍流模型。大多数的湍流模型均包含可实现性约束,以确保湍流法向应力不为负、任何扰动量之间满足 Schwarz 不等式,并限制湍流的产生。而在这一新的湍流模型中,可实现性约束支持湍流输运方程中的系数随平均流动变形速率以及 k 和 ε 而变化,可以得到受限状态的更平滑、更接近实际物理的结果。

COMSOL Multiphysics 5.3a 版本中新增的 Realizable k-ε 湍流模型的演示。 流态为湍流的流体与立方体发生碰撞,流动方向与立方体的一个面成直角。Realizable k-ε 湍流模型阻止应变方向上的湍流能量分量因快速平均应变而变为负值。 流态为湍流的流体与立方体发生碰撞,流动方向与立方体的一个面成直角。Realizable k-ε 湍流模型阻止应变方向上的湍流能量分量因快速平均应变而变为负值。

支持所有湍流模型的新流-固耦合接口

在最新版本中,使用新的流-固耦合 多物理场耦合代替了之前的 COMSOL® 软件版本中使用的接口。与软件最新版本中的其他多物理场耦合方式类似,新接口包括相应的几个单物理场接口,以及将其耦合到一起的多物理场节点。通过使用这种方法,相关物理场接口中的所有功能都可用于流-固耦合 (FSI) 建模。在结构方面,新版本中流-固耦合分析可以调用许多附加边界条件和材料模型,例如,刚性域、压电和非线性弹性材料模型等;在流体方面,所有的湍流模型以及许多新的边界条件均适用于流固耦合模拟。从“模型向导”添加流-固耦合 接口后,您会看到固体力学 接口、层流 接口、流-固耦合 多物理场耦合节点以及定义 节点中的动网格 节点。“案例库”中的所有流-固耦合模型均已更新为新的耦合方式。

受湍流作用的跑车车翼模型。 测试台上一个受 200 km/h (125 mph) 湍流(流线)作用的跑车车翼上的压力(颜色表)和变形(在表面放大 50 倍),其中使用了新物理场接口中的单向流-固耦合。 测试台上一个受 200 km/h (125 mph) 湍流(流线)作用的跑车车翼上的压力(颜色表)和变形(在表面放大 50 倍),其中使用了新物理场接口中的单向流-固耦合。

瞬态问题的性能和稳定性得到显著提升

瞬态问题的求解器策略已修改,在确保精度的同时,求解过程更为顺畅、稳定,求解速度提升高达 50%。

球体周围的流动模型。

球体周围的流动在下游形成卡门涡街的瞬态模型,在 COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本中的求解速度更快。

球体周围的流动在下游形成卡门涡街的瞬态模型,在 COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本中的求解速度更快。