Модуль CFD COMSOL

Моделировать однофазный и многофазный поток

Выполнять вычислительные гидродинамические симуляции с помощью модуля CFD — дополнительного продукта к программному обеспечению COMSOL Multiphysics. Модуль CFD предоставляет инструменты для моделирования основ анализа потоков жидкостей, включая:^®

• Внутренние и внешние потоки
• Несжимаемые и сжимаемые потоки
• Ламинарные и турбулентные потоки
• Однофазные и многофазные потоки
• Свободные и пористые потоки сред

Модуль CFD также включает мультифизические возможности для моделирования неизотермического потока с сопряжённым теплообменом, реагующим потоком, взаимодействием жидкости и структуры (FSI) и электрогидродинамикой (EHD).

Возможности мультифизики практически неограничены внутри модуля, и при объединении с другими модулями из продуктового комплекса COMSOL можно добавить дополнительные мультифизические связи. Например, модуль CFD может использоваться вместе с модулем структурной механики для комбинирования потока жидкости с крупными структурными деформациями и моделирования FSI. Среда симуляции выглядит одинаково независимо от моделирования.

Ламинарный и ползучий поток

Моделировать переходный и устойчивый ламинарный поток с помощью уравнений Навье–Стокса или ползучий поток с уравнениями Стокса.

Помимо моделирования жидкостей с постоянной плотностью и вязкостью, модуль поддерживает исследования жидкостей, где вязкость и плотность зависят от температуры, локального состава, электрического поля или любого другого моделируемого поля или переменных. В общем случае источники плотности, вязкости и импульса могут быть произвольными функциями любой зависимой переменной, а также производными зависимых переменных.

Для неньютоновских жидкостей существуют предопределённые универсальные реологические модели вязкости, такие как степеневой закон, Карро, Бингем, Гершеля–Балкли или Кассона для удобства создания моделей.

Также есть функционал для моделирования ламинарного потока в движущихся конструкциях, таких как клапаны открывания и закрывания или вращающиеся крыльчатые механизмы.

Многофазный поток и свободные поверхности

В разделённых многофазных системах потоков методы отслеживания поверхности могут использоваться для моделирования и моделирования поведения пузырьков и капель, а также свободных поверхностей. В таких случаях, используя методы уровня и фазового поля, можно подробно описать форму фазовой границы, а также эффекты поверхностного натяжения и изменения топологии.

Модели дисперсного многофазного потока доступны для сценариев, когда большое количество пузырьков, капель или частиц меньше по сравнению с вычислительной областью. Эти модели отслеживают массовые или объёмные доли различных фаз и влияние рассеянных пузырьков, капель или частиц на передачу импульса в жидкости в усреднённом смысле. Доступные модели потока включают: модели смеси пузырькового потока, смеси, Эйлера–Эйлера и фазового транспорта.

Поток пористых сред

Модуль CFD упрощает моделирование потока жидкости в пористых средах с помощью четырёх различных моделей потока пористых сред. Модель закона Дарси — это надёжное и вычислительно недорогое описание потоков в пористых структурах. Он также доступен для многофазного потока. Модель уравнений Бринкмана является расширением закона Дарси, которое объясняет рассеивание кинетической энергии вязким сдвигом и может включать инерциальные эффекты. Актуальная для высокооткрытых структур с высокой пористостью, эта модель более общая, чем закон Дарси, но при этом более вычислительно затратна.

Модели свободного и пористого потока сред, Бринкмана и свободного и пористого потока сред Дарси связывают поток в пористых областях с ламинарным или турбулентным течением (Бринкман) в свободных областях. Модели формулируют уравнения закона Бринкмана или Дарси для пористой области и уравнения Навье–Стокса для свободных областей. Турбулентный поток в пористых средах можно смоделировать в версии Бринкмана с помощью любой модели RANS на основе эпсилона или омега с дополнительными вкладами согласно Педрасу–де Лемосу или Накаяма–Кувахары, либо их комбинации.

Высокий поток числа Маха

Моделирование трансзвуковых и сверхзвуковых потоков сжимаемых жидкостей в ламинарном и турбулентном режимах. Модель ламинарного потока обычно используется для систем низкого давления и автоматически определяет уравнения для баланса импульса, массы и энергии для идеальных газов. Высокий поток числа Маха также доступен для всех моделей турбулентности по уравнениям RANS.

В обоих случаях при решении этих моделей можно использовать автоматическое уточнение сетки для разрешения ударной схемы путём очистки сетки в областях с очень высокой скоростью и градиентами давления.

Поток жидкости в вращающейся технике

Вращающиеся машины, такие как миксеры и насосы, распространены в процессах и оборудовании, где происходит поток жидкости. Модуль CFD предоставляет интерфейсы вращающегося оборудования, которые формулируют уравнения потока жидкости в вращающихся системах, доступные как для ламинарного, так и для турбулентного потока. Задачи можно решать либо с помощью полновременного описания вращающейся системы, либо усреднённого подхода, основанного на приближении замороженного ротора. Подход с заморожённым ротором недорог с вычислительной точки зрения и может использоваться для оценки усреднённых скоростей, изменений давления, уровней смешивания, усредненной температуры и распределения концентраций и других параметров.

В целом, CFD-модуль также может решать проблемы с течением жидкости не только на вращающихся рамах, но и на любых движущихся рамах, таких как клапаны открытия и закрытия. Движущиеся рамки также могут использоваться для решения задачи, когда конструкция скользит относительно другой конструкции с течением жидкости между ними, что легко настроить и решить с помощью движущейся сетки.

Поток тонкой пленки

Для описания потоков в тонких областях, таких как тонкие нефтяные пленки между движущимися механическими частями (трибология) или трещины структуры, модуль CFD предоставляет интерфейсы потока тонкой пленки. Эта формула обычно используется для моделирования смазки, эластогидродинамики или эффектов демпфирования жидкости между движущимися частями из-за наличия газов или жидкостей (например, в MEMS). Заранее определённое соединение тонкоплённого и пористого потока может использоваться для моделирования потоков самосмазки и сжатия плёнки.

Уравнения мелководья

Уравнения мелководья позволяют моделировать поток под свободной поверхностью при условии, что горизонтальная шкала длины значительно больше вертикальной длины. Уравнения мелководья получаются путем усреднения по глубине уравнений Навье–Стокса. Зависимыми переменными являются глубина воды и поток импульса. Уравнения можно использовать для моделирования эффектов цунами и затопления.