CFD 模块更新

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本为“CFD 模块”的用户引入了用于旋转机械流动建模的接口、用于大涡模拟的新功能,以及多个新的教学案例。请阅读以下内容,进一步了解这些更新及其他新增功能。

旋转机械,高马赫数流动

随着新版本的发布,“CFD 模块”支持制定旋转机械中的高马赫数流动问题。新增的旋转机械,高马赫数流动 分支包含定义层流和湍流动量、连续性和能量方程的物理场接口,其典型用途包括对涡轮机、螺旋桨和直升机旋翼进行建模。

带有两个箔片的三维模型,其中以 Rainbow 颜色表显示流场。 旋转高马赫数流动基准问题:旋转三维翼片周围流场的可视化效果。

大涡模拟 (LES) 的自动壁处理

LES 接口新增了自动壁处理,在不关注近壁面流动的情况下,可以在近壁面位置使用较粗化的网格,这样可以在不影响远离壁面的流场结果的情况下,大大降低了计算成本。由于边界层从层流到湍流的过渡是瞬时的,因此自动壁处理可用于模拟与锐边的分离。

以 Rainbow 流线显示流场的跑车模型。 使用 LES 自动壁处理对跑车周围的流场进行建模。

用于 LES 的热壁函数

在不解析近壁流动的情况下,必须使用传热的壁函数。在 COMSOL Multiphysics® 6.0 版本中,当与流动的自动壁处理相结合时,传热的壁函数可用于 LES。当 LES 接口中的壁处理 设置为自动 时,软件会自动添加热壁函数。这种方法可用于与锐边分离和垂直于光滑表面的浮力分离。

以 HeatCamera 颜色表显示热壁函数的三维模型。 使用 LES 的自然对流和共轭传热的热壁函数。

流致噪声简介

新版本介绍了一种用于流致噪声建模的混合计算气动声学 (CAA) 方法,它基于湍流源与声学方程之间的单向耦合,其中假设从声场到流场不存在反向耦合,计算方法基于 Lighthill 声学类比(波动方程)的有限元离散化。这种方程形式确保在底层可以包含任意固体(固定的或振动的)边界。有两个流致噪声选项可用:Lighthill 类比和较为简单的气动声学波动方程 (AWE) 类比。

新功能依赖于将使用“CFD 模块”求解的大涡模拟 (LES) 流体流动模型与压力声学,频域 中的气动声学流动源 域特征相耦合,这是通过使用气动声学流动源耦合 多物理场耦合和专门的瞬态映射 研究来实现。请注意,此特征需要“声学模块”。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“气动声学流动源耦合”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示串联气缸模型。 用户界面包含多个接口和特征:压力声学,频域中的 气动声学流动源特征、气动声学流动源耦合多物理场、瞬态映射,FFT 研究步骤以及 频域研究。这是一个串列式圆柱障碍物噪声基准问题的仿真模型。

旋转机械,相传递混合物模型

对于同时拥有“搅拌器模块”的用户,您现在可以模拟具有多个分散相的旋转机械中的相分离,其中离心力可用于按密度、尺寸和形状对颗粒进行分级。新增的旋转机械,相传递混合物模型 分支包含预定义多物理场接口,建立这些模型变得更加容易。这些接口也可用于模拟多个相的混合,或者这些相会因沉淀或浮选过程而分离。


在底部呈圆锥形的旋转容器中,重颗粒和轻颗粒混合物的密度。重颗粒在容器的外边界形成沉积物,而水和轻颗粒的混合物在容器的中心不断被压实。


在混合罐中水以及轻颗粒和重颗粒的混合物。在没有搅拌的情况下,轻的颗粒(红色梯度的切面)浮在上面,重的颗粒(蓝色梯度的切面)沉在下面。搅拌使各相再次混合。

Brinkman 方程接口的多孔滑移

多孔介质流动的边界层可能非常薄,在 Brinkman 方程模型中求解不切实际。通过新的多孔滑移 壁处理选项,您可以在不解析边界层中的全流动剖面的情况下对壁进行分析。而应力条件应用于表面,通过利用边界层速度剖面的渐近解,获得相当高的本体流动精度。该功能在 Brinkman 方程 接口的设置 窗口中激活,然后用于默认的壁条件。您可以在涉及由 Brinkman 方程描述的地下水流以及模型域较大的大多数模型中使用这一新特征。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“Brinkman 方程”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示多孔反应器模型。 多孔滑移选项可在 Brinkman 方程接口的 设置窗口中找到。

多孔介质传热

多孔介质传热功能已经过改进,现在更方便用户使用。“传热”分支下现在提供新的多孔介质 物理领域,包括多孔介质传热局部热非平衡填充床传热 接口。所有这些接口在功能上都是相似的,不同之处在于这些接口内的默认多孔介质 节点分别选中以下选项:局部热平衡局部热非平衡填充床。上文已经描述了后一个选项,局部热非平衡 接口取代了多物理场耦合,并且对应于一个双温度模型:一个用于液相,一个用于固相。由于液相中的强对流和固相中的高传导(如金属泡沫),典型应用可能涉及多孔介质的快速加热或冷却。选择局部热平衡 接口后,新的平均选项可用于根据多孔介质配置定义有效导热系数。

此外,后处理变量可统一用于三种类型多孔介质的均质量。您可以在以下现有教学案例中查看新增的多孔介质:

多孔介质中的非等温流动

新增的非等温流动,Brinkman 方程 多物理场接口自动添加了多孔介质中传热与流体流动的耦合特征,将多孔介质传热Brinkman 方程 接口进行耦合。您可以在现有的多孔介质中的自然对流教学案例中查看这一新特征的应用演示。

以 HeatCamera 颜色表显示温度的多孔结构。 “多孔介质中的自然对流”教学案例采用了新增的非等温流动功能,图中显示受温度梯度影响的多孔结构中的温度 (K) 和随后的自然对流。

多孔介质两相流

新增的多物理场接口结合了 Brinkman 方程水平集 接口,并自动添加两相流,水平集 耦合节点。它用 Brinkman 方程求解动量守恒和质量连续性,利用水平集函数跟踪多孔介质中两种不混溶流体之间的界面。

以 Aurora Australis 颜色表显示的树脂,注入到空模具模型中。 树脂注入空模具。新增接口用于跟踪注射前沿。模具包含一个入口和三个出口,中心有一个多孔块,最初充满空气。

大幅改进多孔材料的处理

多孔材料现已在多孔材料 节点的相特定的属性 表格中定义。此外,您可以为固体和流体特征添加子节点,从中可以为每个相定义多个子节点。这样就可以将一种相同的多孔材料用于流体流动、化学物质传递和传热,而无需复制材料属性和设置。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“多孔材料”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示填充床反应器模型。 多孔材料的新 材料节点,以填充床的多尺度模型为例。

浅水方程接口的源项

浅水方程通过沿深度取平均值给出了浅水流动的一维或二维近似值。雨水、局部上升气流、抽水装置或边界应力必须作为源项引入模型方程。在之前的版本中,这可以通过方程视图中修改底层变量实现,现在您可以添加动量源和质量源作为流动接口的预定义设置。

Vanka 求解器的新 Schur 补近似方法

新版本对 Vanka 求解器进行了扩展,为矩阵块提供了一种新的近似因式分解方法。当使用块求解器 方法直接,存储分解 时,现在有一个选项可以使用近似因式分解,即对较大的块使用 Schur 补近似。这种方法可以为较大的块节省大量内存和 CPU 时间,例如,在具有充分发展的流入边界条件的大型三维流体流动模型中遇到的情况。您可以从 Vanka 求解器中或者已启用 Vanka 选项的 SCGS 求解器中使用此方法。

新增教学案例

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本的“CFD 模块”引入了多个新的教学案例。