CFD 模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本为“CFD 模块”的用户引入了两个新的流体流动接口、入口湍流强度和湍流长度尺度的新选项,以及对不相交选择的自动处理。请阅读以下内容,进一步了解这些更新及其他新的 CFD 特征。

多核与集群计算的性能提升

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本对求解过程进行了多项性能改进。特别需要指出的是,对于雅可比矩阵组装以及代数多重网格预条件器,降低了内存需求,多核与集群计算的内存需求显著降低。此外,多重网格方法中使用的最重要的平滑器现在更加有效,尤其是对于集群计算而言。

作为对性能提升的说明,我们来分析以下 Ahmed 类车体的 CFD 湍流基准模型。与“案例下载”版本相比,基准测试模型使用细化的网格,有 630 万个自由度,在 16 节点集群上运算。为进行比较,我们将 COMSOL Multiphysics® 5.5 更新 3 版本和 5.6 版本安装集群中,每个节点有 48 个内核(2 个 Intel® Xeon® Platinum 8260 24 核)。使用的求解器是以代数多重网格求解器 (SA-AMG)作为具有对称耦合高斯-赛德尔平滑器(在比较图中表示为 MG)的 GMRES 的预条件器,此外,重叠的域分解 (Schwarz) 方法用作多重格点法 GMRES 的预条件器,作为域求解器(表示为 DD)。下图显示了性能,即计算时间以及内存使用率与节点数之间的关系。

Ahmed 类车体三维模型,用金属色、黄色、绿色、青绿色和蓝色流线及其周围的白色网格显示。 Ahmed 类车体周围的流线和垂直横截面中的网格。
0 到 1800 秒与 1 到 16 节点数的关系图,蓝线表示 COMSOL Multiphysics 5.5 版本更新 3,黄线表示 5.6 版本。 细化版本 Ahmed 类车体基准模型的挂钟计算时间。
0 到 5000 MB 内存与 1 到 16 节点数的关系图,蓝线表示 COMSOL Multiphysics 5.5 版本更新 3,黄线表示 5.6 版本。 细化版本 Ahmed 类车体基准模型的物理内存使用率。

可压缩分散多相流

许多自然现象、制造过程和分离过程都涉及分散多相流,其中颗粒、气泡或液滴通过连续相传输。支持任意数量分散相的相传递,混合物模型 接口现在支持可压缩混合物流,并改进了对变形和旋转区域的支持。此外,这个接口现在还可以与水平集方法一起使用,同时对分离型和分散型多相流进行建模。您可以在新的液滴通过悬浮液上升教学案例中查看这个更新的公式特征。

油滴在悬浮液中的上升过程。初始时刻,悬浮液分为两个透明层及之间的一个致密层,油滴位于底部透明层中。这个模型演示了分散多相流模型与水平集模型的耦合。

非等温混合物模型

模拟气泡在液体中形成的过程,如泡核沸腾或空化过程,需要将多相流与传热耦合。新的非等温混合物模型 接口正好提供了这种功能:它们使用新的非等温流动,混合物模型非等温混合物模型 多物理场耦合节点来耦合层流湍流 (RANS) 接口、相传递 接口和流体传热 接口。非等温混合物模型 接口支持所有 RANS 湍流模型。

内部外露的圆柱型环空模型和显示温度的热像仪颜色表、表示气泡通量的流线,以及显示气泡体积分数的从深蓝色到白色的颜色渐变。 圆柱环中的泡核沸腾。图中显示内圆柱的温度、气泡体积分数和气泡通量的流线。

浅水方程

浅水近似法经常用于海洋学和大气应用中,可预测海啸影响,受污染、海岸侵蚀和极地冰盖融化等影响的区域。新增的浅水方程,时域显式 接口使用深度平均公式来求解一维和二维域中的自由表面流动,并可以通过数字高程模型 (DEM) 方便地定义模型的底部形貌。您可以在新的海啸冲上莫奈山谷海滩的复杂三维模型教学案例中看到此特征的应用演示。

浅水方程,时域显式接口模拟海啸影响。

总压条件

对于某些应用,例如在泵仿真中,指定入口和出口边界上的总(或停滞)压力更为方便。COMSOL Multiphysics® 5.6 版本包含对不可压缩流动的入口和出口施加总压逐点值或平均值的选项。

棕色管道中的风扇模型,叶片周围和风扇后面有气流。 风扇叶片产生的环流。在入口和出口边界上施加平均总压条件。

新增平均选项用于跨相界面的流体属性

在两相流仿真中,当密度和/或黏度比很大时,使用跨相界面的体积平均流体属性可能会导致结果过度模糊。在某些情况下,锐化过渡区的流体属性或将其替换为两相中的一相,可以提高精度和/或收敛性。在 5.6 版本中,用户可以使用平滑的 Heaviside 函数和谐波体积平均来计算密度和黏度。对于黏度,也可以选择使用质量平均和谐波质量平均。

一维绘图,其中蓝线表示体积平均值,绿线表示 Heaviside 函数,红线表示谐波体积平均值,青绿色表示质量平均值,洋红色表示谐波质量平均值。 用于计算空气-水界面上的平均黏度的不同选项。

用于湍流条件的新选项

入口和开放边界上的湍流强度提供了三个新选项:低 (0.01)中 (0.05)高 (0.1)。还有一个新的基于几何 默认选项,用于入口的湍流长度尺度。此选项自动计算入口的水力直径,并将湍流长度尺度设置为水力直径的 0.07 倍,这是管道和通道中充分发展的湍流的推荐值。

COMSOL Multiphysics 5.6 版本中“湍流”的“入口”设置,其中“速度”和“湍流条件”栏为展开状态,“图形”窗口中显示一个水力旋流器模型。 设置窗口中显示的 湍流强度 湍流长度尺度的新选项。

自动处理不相交的选择

对于入口和出口上的充分发展的流动 和入口上的质量流,可以在单个边界特征内处理由不相交边界组成的选择。这个新的默认选项自动检测不相交选择中的连接组件,并为选择中的每个连接组件添加一个方程。

部分透明以显示内部视图的多喷嘴模型。 更新的聚合物多喷嘴模型,其中包含用于不相交选择的新选项。为两种类型的入口添加了单独的方程。

新的“多孔介质”特征

此版本新增的多孔介质处理特征可用于定义不同的相:固体、流体和静止流体。在多孔介质传热 接口中,多孔介质 特征用于管理材料结构,并为每个相流体多孔基体 和(可选)静止流体 提供专用的子特征。这个新的工作流程更加清晰,并改善了用户体验。它还以更自然的方式促进多孔介质中的多物理场耦合。与水分输送多孔介质流动 接口结合使用时,多孔介质传热改进支持对多孔介质中的非等温流动和潜热存储进行建模。

以下模型使用了这一新设置:

COMSOL Multiphysics 5.6 版中的“多孔介质”特征设置,显示“有效电导率”选项,并突出显示了倒数平均值。 包含流体相、固体相和静止流体相的多孔材料与 多孔介质传热接口中的 多孔介质特征相结合。设置窗口显示了定义多孔介质不同相中有效导热系数的模型选择。

在“流体传热”中自动检测理想气体材料

各种传热接口中提供的流体 特征已更新,用户可以利用理想气体假设来提高计算效率。流体类型 列表中新增的来自材料 选项可以自动检测每个域选择应用的材料是否为理想气体,并针对每种情况使用相关属性。例如,在计算可压缩非等温流动中的压力功时,这可以加快计算速度。由于 COMSOL Multiphysics® 和“材料库”中提供的气体被模拟为理想气体,许多包含可压缩非等温流动的模型将受益于这一改进。

LED 灯泡模型,使用热相机颜色表以深蓝色到白色的颜色渐变显示灯泡周围的速度和灯泡内的温度。 LED 灯泡中的温度分布(表面图)和速度(箭头和流线)。在 COMSOL Multiphysics® 5.6 版本中,通过自动使用理想气体公式,计算时间缩短了 10%。

热和能量平衡

能量和热平衡定义的后处理变量已扩展,现在包含新配置。具体来说,这些变量分别用于非等温流动,分析面外热源;体积力、黏性耗散和压力的功;边界应力;以及内壁法向速度非零情况下的焓通量。后处理变量或能量和热平衡定义也已扩展到包括多层材料,这些能量和热平衡为求解器误差估计提供了另一种标准来检验仿真精度。您可以在电子芯片冷却模型中看到此功能的应用演示。

COMSOL Multiphysics 5.6 UI,显示错流式换热器模型的“全局计算”设置,“图形”窗口中显示深红色到白色的渐变颜色,以开氏度为单位表示温度。 错流式换热器模型中能量平衡的验证。将进入热入口的总净能率与整个模型的能量平衡进行比较。

更轻松地建立相场和水平集模型

新版本对水平集相场 接口进行了重构:现在默认添加两个初始值 节点,之前使用的初始界面 特征已被移除。取而代之的是,软件会将初始界面自动放置在具有不同初始相的两个初始值 节点之间的边界上。

初始值,流体 2 特征的设置。请注意,本例不再需要 初始界面特征。在 相初始化研究步骤求解水平集或相场函数的初始分布。

新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本的“CFD 模块”引入了多个新的教学案例。

液滴通过悬浮液上升

通过柱子中的灰色悬浮液上升的橙色液滴。 在两个透明流体层之间的致密悬浮液中上浮的油滴。

“案例库”标题:
droplet_rising_through_a_suspension
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聚合物电解质膜电解槽

电解槽模型,其中氧气的体积分数以深蓝色到白色的颜色渐变显示。 聚合物电解质膜电解槽中氧气的体积分数。

“案例库”标题:
polymer_electrolyte_membrane_electrolyzer
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溃坝对柱的影响,浅水方程

一个灰色方柱的模型,柱周围是蓝色的水。 浅水方程模拟水波对柱子的影响。

“案例库”标题:
dam_break_column_sw
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海啸冲上莫奈山谷海滩的复杂三维模型

灰色海滩和蓝色海水的模型,表示海啸上升。 海啸冲向海滩的浅水方程仿真。

“案例库”标题:
monai_runup
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