CFD 模块
模拟单相流和多相流
“CFD 模块”用于执行计算流体动力学仿真,这是 COMSOL Multiphysics® 软件的一个附加产品,为流体流动分析的基础建模提供多种工具,包括:
- 内部和外部流动
- 不可压缩和可压缩流动
- 层流和湍流
- 单相流和多相流
- 自由和多孔介质流动
无论是单独使用本模块,还是将它与 COMSOL Multiphysics® 的其他附加模块一起使用,其中的多物理场耦合建模功能几乎都是无限的。“CFD 模块”为您提供多种工具来模拟含共轭传热的非等温流动、反应流、流-固耦合(FSI)以及电流体动力学(EHD)。不仅如此,您还可以同时添加额外的多物理场耦合与 COMSOL 产品库中的其他模块进行耦合,比如将流体流动与流-固耦合中的大结构变形相结合。无论您的建模对象是什么,COMSOL 都能为您提供始终如一的仿真环境。
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湍流
“CFD 模块”的预定义流动接口提供一组综合的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)湍流模型,您可以使用这些模型来模拟各种不同的稳态和瞬态湍流。不仅如此,您还可以直接在用户界面中更改或扩展模型方程,创建尚未包含的湍流模型。
大涡模拟(LES)
大涡模拟(LES)用于解析较大的三维非定常湍流涡,而小涡流的影响则通过近似方法表示。这项技术与边界层网格划分一起使用时,可以精确描述瞬态流场以及边界上的精确通量和力。模块中提供的 LES 模型包括“基于残差的变分多尺度”(RBVM)、“基于残差的黏性变分多尺度”(RBVMWV)和 Smagorinsky 模型。
分离涡模拟(DES)
分离涡模拟(DES)结合了 RANS 和大涡模拟(LES),其中 RANS 用于边界层,而 LES 则用于其他位置。DES 将 Spalart–Allmaras 湍流模型与 LES 模型相耦合:RBVM、RBVMWV 或 Smagorinsky。Spalart-Allmaras 的壁处理为低雷诺数处理或自动壁处理。
DES 的优势在于,与纯 LES 相比,前者需要的边界层网格密度较低,从而可以大幅减少求解模型方程时的内存要求和计算时间。DES 模型适用于三维瞬态不可压缩单相流。
多孔介质流动
借助“CFD 模块”,您可以使用三个不同的多孔介质流动模型轻松地模拟多孔介质中的流体流动。达西定律 模型是描述多孔结构中流动的一种可靠且计算成本较低的模型,也适用于多相流。Brinkman 方程 模型是达西定律的延伸,解释了黏性剪切引起的动能耗散,并可以包含惯性效应。对于高孔隙率的高度开放结构来说,该模型比达西定律更加通用,但计算成本也更高。
自由和多孔介质流动 模型将多孔域中的流动与自由域中的层流或湍流相耦合,其中为多孔域使用 Brinkman 方程,并在自由域中使用纳维-斯托克斯方程。多孔介质中的湍流可以使用任何基于 epsilon 或 omega 的 RANS 模型进行模拟,并根据 Pedras-de Lemos 和/或 Nakayama-Kuwahara 提供额外的贡献。
创建实际的多物理场模型
在 COMSOL Multiphysics® 中模拟多个物理现象与单个物理现象问题几乎一样轻松。

非等温层流
温度相关的流体属性和浮力;固体-流体边界上的连续温度和热通量。

非等温湍流
使用 RANS 或 LES 计算固体-流体边界的共轭传热的低雷诺数公式或热壁函数。

流固耦合:单向研究
流固耦合,其中流动在结构上产生载荷,但结构的变形非常小,不会影响流动。

流固耦合:全耦合1
流固耦合,其中流动在结构上产生载荷,使结构发生较大变形,变形反过来又会影响流动。

一般反应流
使用混合平均模型或菲克定律分析稀和浓混合物中的多组分输运和反应。

高级反应流2
层流的完整 Maxwell-Stefan 多组分输运方程。

高马赫数反应流2
高马赫数流动,其中具有浓物质和稀物质的化学物质传递和反应。

搅拌器3
旋转机械的多相流和自由表面,以及叶轮和容器的“零件库”。

颗粒跟踪4
Euler-Lagrange 多相流模型,其中颗粒或液滴作为离散实体进行建模。

管道流和 CFD5
连接到发生非等温流动的二维/三维流体域的管道和通道,适用于层流和湍流。
- 需要“结构力学模块”、“MEMS 模块”或“多体动力学模块”
- 需要“化学反应工程模块”、“电池模块”或“燃料电池和电解槽模块”
- 需要“搅拌器模块”
- 需要“粒子追踪模块”
- 需要“管道流模块”
适用于求解 CFD 问题的通用功能
“CFD 模块”为流体流动仿真提供专用的功能,并在 COMSOL Multiphysics® 平台上无缝工作,从而实现一致的建模工作流程。

流体流动接口
为了模拟层流、湍流、多相流、可压缩流动、高马赫数流动和薄膜流以及浅水方程,“CFD 模块”提供了大量定制的流体流动接口来分析这些流动的不同状态。每个流体流动接口都定义了域方程组、边界条件、初始条件、预定义网格、预定义研究(具有稳态和瞬态分析的求解器设置),以及预定义的绘图和派生值。


离散化
流体流动接口采用伽辽金法/最小二乘法和 Petrov-Galerkin 法对流动方程进行离散,并在空间(二维、二维轴对称和三维)中生成数值模型。试函数可用于稳定输运方程中的双曲项和压力项。激波捕捉技术可进一步减少寄生振荡。此外,间断伽辽金公式可用于使内部和外部边界上的动量、质量和能量守恒。

结果计算和可视化
流体流动接口可以生成许多默认绘图,供您分析速度场和压力场。流线图可以用来显示流量和流动方向。表面图和体图可用于显示压力和速度矢量的大小。此外,您还可以轻松访问大量派生值和变量来提取分析结果,例如曳力系数。

几何
围绕导入的 CAD 几何生成流动域(例如边框)。不仅如此,您还可以使用多种工具自动或手动移除可能与流体流动无关的细节。您可以使用 CAD 导入模块来导入大多数 CAD 文件格式,并执行修复和特征去除操作。此外,用于 CAD 的内置几何工具还能创建复杂的几何形状和域。

网格划分
“CFD 模块”中的物理场控制网格功能在生成网格序列时包含了流体流动问题中的边界条件。系统可以自动生成边界层网格,便于您求解常在应用壁条件的表面产生的速度梯度。

求解器
流动方程通常呈高度非线性。自动求解器设置可以选择合适的阻尼牛顿法来求解数值模型方程。对于大型问题,牛顿法的线性迭代可通过专门为传输问题设计的最新代数多重网格或几何多重网格方法进行加速。
对于瞬态问题,通过采用自动时间步进和自动多项式阶数的时间步进技术,并结合上述非线性求解器,能够实现以尽可能高的精度求解速度场和压力场。

仿真 App
您可以使用 COMSOL Multiphysics® 包含的 App 开发器在任何现有模型的基础上构建用户界面。借助这一工具,您可以为特定目的创建定制的仿真 App,并在其中包含明确定义的输入和输出。App 可以用于许多不同的目的:使困难且重复的任务自动化、创建和更新报告、为非专业人员提供用户友好的界面、在组织内部增加对模型的访问,以及更好地服务客户,从而获得竞争优势。
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