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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跑车模型,其中包含两个侧视镜和两个车门,黄色流线显示了汽车前部到后部的流场。

层流和蠕动流

您可以使用纳维-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。

除了对密度和黏度恒定的流体进行建模以外,您还可以研究黏度和密度与温度、局部组成、电场或任何其他物理场或变量相关的流体。一般来说,密度、黏度和动量源可以是任意因变量以及因变量导数的任意函数。

对于非牛顿流体,您可以使用幂律CarreauBinghamHerschel-BulkleyCasson 等通用的预定义黏度流变模型来轻松地建立模型。

除此之外,您还可以在运动结构(例如开阀和闭阀或旋转叶轮)中对层流进行建模。

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。

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

水处理池模型的壁分辨率和流速的局部放大图。
壁函数

稳定且适用于粗化网格,精度有限。

机翼三维模型的流动和压力的局部放大图。
低雷诺数处理

解析直到壁面的流体流动,精确但需要细化网格。

水力旋流器模型的局部放大图,其中显示流体速度。
自动壁处理

继承了壁函数提供的稳定性,在分辨率较高的区域具有低雷诺数处理的精度。

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。

多相流和自由表面

在分离的多相流系统中,您可以使用表面跟踪方法对气泡、液滴和自由表面的特性进行建模仿真。对于这种情况,通过使用水平集和相场方法,可以详细描述相边界的形状,包括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以及分散的气泡、液滴或颗粒在平均意义上对流体中动量传递的影响。可用的流动模型包括:气泡流、混合物、Euler-Euler 和相传递混合物模型。

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。

有关特定特征和功能的更多详细信息,请参阅多孔介质流模块地下水流模块

高马赫数流动

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。层流模型通常用于低压系统,它可以自动定义理想气体的动量、质量和能量平衡方程。此外,k-ε 和 Spalart-Allmaras 湍流模型还支持分析高马赫数流动。

在这两种情况下求解这些模型时,都可以使用自动网格细化来细化速度和压力梯度非常高的区域的网格,从而解析激波形状。

旋转机械中的流体流动

搅拌器和泵等旋转机械在产生流体流动的工艺和设备中十分常见。“CFD 模块”提供旋转机械接口,可以指定旋转坐标系中的流体流动方程,适用于层流和湍流。您可以使用旋转系统的全瞬态描述或基于冻结转子近似的平均方法来求解问题。冻结转子法能够有效节省计算成本,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)中的此类问题。您可以使用动坐标系来求解两个结构之间存在流体流动时,其中一个结构相对于另一个结构的滑动问题,采用动网格可以轻松建立并求解此类问题。

薄膜流动

“CFD 模块”提供薄膜流动 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,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

您可以使用浅水方程模拟水平长度尺度远大于垂直长度尺度的自由表面下的流动。浅水方程可以通过对纳维-斯托克斯方程进行深度平均得到,其中的因变量为水深和动量通量。这些方程可以用来模拟海啸和洪水的影响。

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。

散热器模型的气流和温度的局部放大图。

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。

一根香棒在三个不同时间产生的烟雾的局部放大图。

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。

太阳能电池板模型的速度场和变形的局部放大图。

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。

容器中水的流-固耦合的局部放大图。

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。

储罐的局部放大图,其中显示啤酒的发酵过程。

一般反应流

使用混合物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。

多喷嘴管式反应器模型的局部放大图,其中显示等浓度面。

高级反应流2

层流的完整 Maxwell-Stefan 多组分输运方程。

搅拌器模型的局部放大图,其中显示流场。

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”。

管道弯头模型的局部放大图,其中将速度显示为颗粒。

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。

换热器管模型的局部放大图,其中显示压力和速度。

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。

  1. 需要“结构力学模块”、“MEMS 模块”或“多体动力学模块”
  2. 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”
  3. 需要“搅拌器模块”
  4. 需要“粒子追踪模块”
  5. 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。

“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。

“混合物属性”设置窗口的特写视图,“图形”窗口中显示发动机垫片模型。

材料

“CFD 模块”内置的“材料库”包含最常见的气体和液体。与化学反应工程模块气液属性模块结合使用时,您还可以访问流体热力学属性的一般描述(如黏度、密度、扩散系数、导热系数、生成热和相变)。

“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,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。

一维曳力图的特写视图,“图形”窗口中显示足球模型。

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。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“几何”节点,“图形”窗口中显示 Ahmed 类车体模型。

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。

“网格统计信息”窗口的特写视图,“图形”窗口中显示跑车模型。

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。

“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 输入设置的特写视图,“图形”窗口中显示水处理池模型。

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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