CFD 软件：仿真分析流体流动

层流和蠕动流

用户可以基于纳维-斯托克斯方程模拟瞬态和稳态层流，或使用斯托克斯方程模拟蠕动流。

除了密度和黏度恒定的流体外，用户还可以研究黏度和密度随温度、局部组成、电场或任何其他物理场或变量变化的流体。一般来说，密度、黏度和动量源可以是任意因变量及其导数的任意函数。

对于非牛顿流体，软件提供了幂律、Carreau、Bingham、Herschel-Bulkley 或 Casson 等通用的预定义黏度流变模型来轻松建立模型。

除此之外，还可以模拟运动结构（例如开阀和闭阀或旋转叶轮）内部的层流。

湍流

“CFD 模块”通过预定义的流动接口，提供了一系列雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）湍流模型，可用于模拟各种不同的稳态和瞬态湍流现象。不仅如此，用户还可以直接在用户界面中更改或扩展模型方程，以创建尚未包含的湍流模型。

RANS 湍流模型

两方程模型

* k-ε
* Realizable k-ε
* k-ω
* SST
* 低雷诺数 k-ε

其他输运方程模型

* Spalart-Allmaras
* v2-f

代数湍流模型

* 代数 y+
* L-VEL

壁处理

壁函数

稳定且适用于粗化网格，精度有限。

低雷诺数处理

解析直到壁面的流体流动，结果精确但需要细化网格。

自动壁处理

继承了壁函数提供的稳定性，并且在高分辨率区域能够提供出色的低雷诺数处理精度。

大涡模拟（LES）

大涡模拟（LES）是一种先进的计算流体力学算法，用于解析较大的三维非定常湍流涡，同时通过近似方法表示小涡流的影响。与边界层网格划分一起使用时，该算法能够准确描述瞬态流场，并为边界上的通量和力提供精确的值。本模块提供了多个 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，可以满足各种流体力学的仿真需求。

分离涡模拟（DES）

分离涡模拟（DES）是一种结合了 RANS 和大涡模拟（LES）的先进技术，其中 RANS 用于处理边界层，而 LES 则用于其他区域。DES 将 Spalart–Allmaras 湍流模型与 LES 模型相耦合：RBVM、RBVMWV 或 Smagorinsky。Spalart-Allmaras 模型可采用低雷诺数处理或自动壁处理。

与纯 LES 相比，DES 的优势在于，边界层网格密度要求较低，因此可以大幅降低求解模型方程所需的内存要求并减少计算时间，适用于模拟三维瞬态不可压缩单相流。

多相流和自由表面

对于分离的多相流系统，软件提供了一种先进的表面跟踪方法对气泡、液滴和自由表面的特性进行仿真，通过使用水平集和相场方法，可以详细描述相边界的形状，并考虑表面张力效应和拓扑变化。

对于包含大量气泡、液滴或颗粒的系统，如果它们相比于计算域而言数量较少，则可以使用分散多相流模型进行分析。这些模型可以跟踪不同相的质量或体积分数，并考虑分散的气泡、液滴或颗粒在平均意义上对流体动量传递的影响。软件提供多种可选的流动模型，包括：气泡流、混合物、Euler-Euler 和相传递混合物模型，以满足不同系统的需求。

多孔介质流动

“CFD 模块”提供了三个不同的多孔介质流动模型来分析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。

有关特定功能的更多详细信息，请参阅多孔介质流模块或地下水流模块。

多孔介质模型，其中以 Jupiter Aurora Borealis 颜色表显示体积分数，红色等值面图显示低渗透性晶体。

高马赫数流动

本模块可以模拟可压缩流体在层流和湍流状态下的跨音速和超音速流动。高马赫数层流流动常见于低压的真空系统，软件可以自动定义理想气体的动量、质量和能量平衡方程；针对湍流问题，提供了 k-ε 和 Spalart-Allmaras 湍流模型，以支持高马赫数流动分析。

不管是层流还是湍流问题，用户都可以采用自动网格细化技术对速度和压力梯度极高的区域进行网格细化，从而准确解析激波形状。

旋转机械中的流体流动

流体流动在旋转机械中的应用十分常见，通常由搅拌器和泵等旋转装置来驱动。“CFD 模块”提供的旋转机械接口，可以在旋转框架内描述流体流动方程，适用于层流和湍流问题。用户既可以选择基于旋转系统的全瞬态求解，也可以基于冻结转子法来近似求解。冻结转子法能够有效地降低计算成本，可用于计算平均速度、压力变化、混合水平、平均温度和浓度分布等。

总的来说，“CFD 模块”不仅可以求解旋转坐标系中的流体流动问题，还能求解任何动坐标系（例如开阀和闭阀）中的类似问题。基于动坐标系，用户可以轻松地求解存在流体流动的两个结构之间的相对滑动问题。

离心泵模型，其中以彩虹色流线显示流体流动，并以 Jupiter Aurora Borealis 颜色表显示压力的切面图。

可倾瓦轴承模型，其中用 Cividis 颜色表显示压力，并用灰色面上箭头图显示流动。

薄膜流动

“CFD 模块”提供了薄膜流动 接口用于描述运动机械部件（摩擦学）或断裂结构之间的薄油膜等薄域中的流动现象，常用于模拟润滑作用、弹性流体动力学，或运动部件之间由于存在气体或液体而产生的流体阻尼效应（例如在 MEMS 中）。

浅水方程

浅水方程可用于分析水平长度尺度远大于垂直长度尺度的自由表面下的流动，这是通过对纳维-斯托克斯方程进行深度平均得到的，其中的因变量为水深和动量通量。浅水方程常常用来准确模拟海啸和洪水的影响。

创建真实场景下的多物理场仿真

在 COMSOL Multiphysics^® 中可以轻松仿真多个物理现象的耦合

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”

CFD 分析的主要功能

“CFD 模块”为流体流动分析提供专用功能，并在 COMSOL Multiphysics^® 平台上无缝集成，实现一致的建模工作流程

“模型开发器”的特写视图，其中突出显示“流-固耦合”节点，“图形”窗口中显示双金属片模型。

流体流动接口

为了模拟各种状态下的流体流动，“CFD 模块”提供了丰富的定制化流体流动接口来分析层流、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。

材料

“CFD 模块”提供了一个全面的“材料库”，其中包含最常见的气体和液体。与化学反应工程模块或气液属性模块结合使用时，用户可以轻松访问流体热力学属性的常见参数，如黏度、密度、扩散系数、导热系数、生成热和相变等信息。

“高马赫数流动，层流”“设置”窗口的特写视图，“图形”窗口中显示 Euler bump 模型。

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化处理，并在空间（二维、二维轴对称和三维）中生成数值模型。通过使用试函数，可以稳定输运方程中的双曲项和压力项。通过激波捕捉技术，可以进一步减少寄生振荡的影响。此外，还采用间断伽辽金公式来保持动量、质量和能量在内部和外部边界上得以守恒。

结果评估和可视化

流体流动接口可以生成多种默认绘图，以深入分析速度场和压力场。流线图可以清晰地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，软件还提供了便捷的方式来访问各种派生值和变量，以提取分析结果，例如曳力系数。

几何

软件提供了几何处理工具，可用于在导入的 CAD 几何周围生成流动区域，还提供多种工具用于自动或手动移除可能与流体流动无关的细节。 CAD 导入模块支持大多数 CAD 文件格式的导入，并提供了修复和特征去除操作。软件内置的 CAD 工具可用于创建复杂的几何形状和域。

网格划分

在生成网格序列时，“CFD 模块”自带的物理场控制网格功能可以自动考虑流体流动问题中的边界条件，生成边界层网格，以便准确解析壁附近的速度梯度。

“模型开发器”的特写视图，其中突出显示“多重网格”节点，“图形”窗口中显示水力旋流器模型。

求解器

流动方程通常呈现出高度非线性，默认的求解器设置会根据问题自动选择合适的阻尼牛顿法以求解数值模型方程。对于大型问题，可以采用最新的代数多重网格或几何多重网格方法（专为传输问题而设计）来加速牛顿法的线性迭代过程。

对于瞬态问题，软件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

使用 COMSOL Multiphysics^® 内置的 App 开发器，用户可以在任何现有模型的基础上创建用户界面。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。这些 App 可用于多种用途：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，并提供更优质的客户服务，从而获得竞争优势。