CFD 模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.4 版本为“CFD 模块”的用户引入了大涡模拟、多相流的流-固耦合以及自由和多孔介质中的相传递。请阅读以下内容,进一步了解“CFD 模块”的这些更新及其他新增功能。

大涡模拟

新版本加入了单相流大涡模拟 (LES),为湍流仿真提供了一种不同于雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS) 方法的替代方法。在大涡模拟中,一般通过网格解析较大的三维非定常涡,而对不高于单元尺度的小尺度涡的影响则采用近似处理。这就需要使用三维瞬态仿真。快速发展的集群计算技术使大涡模拟不仅可用于学术建模,也能在工业相关应用领域找到用武之地。目前有三种大涡模拟模型接口,它们都基于变分多尺度方法——这是一种过滤未解析尺度的变分方法,适用于有限元法。

大涡模拟。

Ret = 395 时,槽道湍流的速度大小表面图和流向速度等值面图。该仿真通过 LES RBVM(基于残差的变分多尺度)接口执行。

Ret = 395 时,槽道湍流的速度大小表面图和流向速度等值面图。该仿真通过 LES RBVM(基于残差的变分多尺度)接口执行。

自由和多孔介质中的相传递

新增的相传递多孔介质相传递 接口可与单相流和多相流接口进行组合,用于模拟包含任意多个相的自由和多孔介质中的多相流。此外,多孔介质多相流达西定律 接口与多孔介质相传递 接口之间预定义的多物理场耦合,可用于模拟包含任意多个相的多孔介质中的多相流,支持用户指定多孔介质属性,例如各个相之间的相对渗透率和毛细压力。低渗透性晶体上方的两相流模型演示了这一功能。

湍流多相流模型。

经过管中放置的圆形孔口的湍流多相流,本例通过 混合物模型,k-ε相传递接口模拟。由于湍流剪切引起破碎,五个预定义的液滴大小组中的群体重新分布。

经过管中放置的圆形孔口的湍流多相流,本例通过 混合物模型,k-ε相传递接口模拟。由于湍流剪切引起破碎,五个预定义的液滴大小组中的群体重新分布。
低渗透性晶体模型。 包含低渗透性晶体(红色)的多孔介质中的两相流。图中显示较重的相从上方渗入多孔介质时的等值面。仅当晶体外达到临界饱和度时,低渗透性晶体才会被渗透。 包含低渗透性晶体(红色)的多孔介质中的两相流。图中显示较重的相从上方渗入多孔介质时的等值面。仅当晶体外达到临界饱和度时,低渗透性晶体才会被渗透。

入口和出口边界上充分发展的流动

充分发展的流动 选项现在可应用于层流和湍流的入口出口 边界条件。此选项可添加用于求解具有任意横截面(对应于入口或出口边界截面)的管中充分发展的流动的方程,并将它们与计算域中的方程进行耦合。您可以在入口或出口指定平均速度、流率或平均压力。此外,湍流变量也是解的一部分。管道弯头中的流动模型演示了这一功能。

将“充分发展的流动”选项应用于入口和出口的示例。

使用和不使用 充分发展的流动选项模拟的半圆管中流动的速度剖面(蓝色)和等压线。在不使用此选项的情况下,由于均匀的速度分布与管壁的无滑移条件不相容,使得入口处的压降较大。

使用和不使用 充分发展的流动选项模拟的半圆管中流动的速度剖面(蓝色)和等压线。在不使用此选项的情况下,由于均匀的速度分布与管壁的无滑移条件不相容,使得入口处的压降较大。

非牛顿屈服应力流体

任何尝试过从瓶子里倒出番茄酱的人都遇到过屈服应力流体。新版本为非牛顿粘度模型添加了三个屈服应力粘度模型。对于 Bingham-Papanastasiou 和 Casson-Papanastasiou 模型,在应变率较大的情况下,其粘度接近恒定值。Herschel-Bulkley-Papanastasiou 模型在应变率值较大的情况下表现为幂律流体。

流体屈服表面。

Herschley-Bulkley-Papanastasiou 流体的屈服表面。深色区域表示应力低于屈服应力的位置。这可能意味着这些区域中的流动停滞,或者其中存在平推流。

Herschley-Bulkley-Papanastasiou 流体的屈服表面。深色区域表示应力低于屈服应力的位置。这可能意味着这些区域中的流动停滞,或者其中存在平推流。

两相流接口支持所有湍流模型

两相流,水平集两相流,相场 接口现在支持各种湍流模型。

储罐的水平集仿真。 圆筒形储罐的水平集仿真,其中有一个障碍物在液面来回移动。 圆筒形储罐的水平集仿真,其中有一个障碍物在液面来回移动。

两相流接口中的内部润湿壁特征

两相流,水平集两相流,相场 接口中新增了内部润湿壁 特征,该特征适用于内部边界。这对仅适用于外部边界的现有润湿壁 特征进行了补充。通过这两个特征,您可以在内部移动壁或静止壁上指定接触角。对于两相流,水平集 接口,内部润湿壁 特征是一个多物理场耦合特征;对于两相流,相场 接口,它是相场 接口中的特征。

使用“内部润湿壁”特征的模型示例。 水-空气界面处振荡内部润湿壁的水平集仿真。 水-空气界面处振荡内部润湿壁的水平集仿真。

新增管接头多物理场耦合

COMSOL Multiphysics® 5.4 版本为“管道流模块”的用户引入了新的管接头 多物理场耦合,用于将管道流 接口与单相流接口相结合。利用这一多物理场耦合,您现在可以更轻松地将通过管道流 接口建模的管段与三维单相流体进行连接。该耦合特征可用于将层流和湍流的管道流区域和流体流动域相连接。换热板中的对流模型使用了这一功能。

使用新的“管接头”多物理场耦合的模型。

使用 k-ε 湍流模型模拟的流体域的速度曲线(蓝色)和等压线(彩虹色),该域同使用 管道流接口模拟的圆管相连。

使用 k-ε 湍流模型模拟的流体域的速度曲线(蓝色)和等压线(彩虹色),该域同使用 管道流接口模拟的圆管相连。
显示 COMSOL Multiphysics 5.4 版本中“管接头”设置的屏幕截图。

新增的 管接头耦合的用户界面。软件会建议您使用一些合适的选择,从而简化模型设置。

新增的 管接头耦合的用户界面。软件会建议您使用一些合适的选择,从而简化模型设置。