CFD模組更新

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本針對CFD 模組的用戶新增了用於分析流過曲面的流動的v2-f 紊流模型,新增了代數多格點求解器(AMG)來顯著改進CFD 模擬求解,並添加了自動壁處理功能,可在紊流分析中得到高精度結果。請閱讀以下內容,了解相關資訊以及CFD 模組的更多更新和特徵。

 

新增用於v2-f紊流模型的流體流動介面

新增的v2-f紊流模型是在k-ε紊流模型基礎上擴展得到的,它可以為具有高度異向性的紊流流動提供高精度解。通常在曲面附近發生的類似強紊流中可使用該紊流模型,例如圖中所示的旋風分離器。這個模型成功地捕獲了流動模式,包括自由渦流,這在旋風模擬中本來很難實現,使用標準兩方程紊流模型基本上不可能實現。

Left: A cyclone separator modeled with the new v2-f turbulence model in COMSOL Multiphysics version 5.3. Right: A cyclone separator model created with COMSOL Multiphysics and the CFD Module.

旋風分離器流動模型中的流線和壓力場(左圖)以及渦流核心(右圖)

 

紊流的自動壁處理功能

用於壁面紊流的新功能在求解模型時支援在低雷諾數紊流模型公式與壁函數之間自動切換。預設情況下,可對以下紊流模型使用和選擇此功能:代數y+L-VELk-ω、SST、低雷諾數 k-ω、Spalart Allmaras 以及v2-f

 

如果近壁網格解析度足夠,則使用低雷諾數公式。但是,當網格過於粗化時,將自動結合使用壁函數及選定的紊流模型。同一模型中可以切換使用這兩種方法。用於紊流自動壁處理的功能提供網格解析度支援的精度,同時也繼承壁函數提供的強健性。

A model that demonstrates the automatic wall treatment functionality in COMSOL Multiphysics version 5.3.

無量綱中壁的網格解析度(該圖中為北極光顏色圖例)決定自動壁處理功能:低雷諾數紊流模型公式或壁函數。無量綱值越低,壁的網格解析度越高,也就越適合使用低雷諾數紊流模型公式

有關使用自動壁處理的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

CFD_Module/Single-Phase_Benchmarks/pipe_elbow

紊流模型之間的自動轉換

成功的紊流建模策略是從相對簡單的紊流模型開始,以了解系統並對模型設置進行故障排除。有了可行的模型給出合理結果後,下一步可以使用更加複雜(也許計算成本更高)、精度更高的紊流模型。

 

為此,我們引入了一個新功能,將紊流變量的含義從一個紊流模型“轉化為”另一個。這意味著您不必重新定義第二個紊流模型的域設置和邊界條件。此外,可以使用現有的解作為初始條件,在第二個紊流模型問題的解中提高強健性和轉換速度。

 

CFD 的代數多重網格 (AMG) 求解器

平滑聚集代數多格點 (SA-AMG) 方法已擴展為與 COMSOL Multiphysics® CFD 的以下專用平滑器配合使用:SCGSVanka SOR線。

 

使用另一個幾何多重網格 (GMG) 求解器通常需要考慮多個網格層,在嘗試通過不同尺寸的各種幾何細節對模型進行網格生成和求解時,可能會出現問題。SA-AMG 求解器只需要一個網格階層,對於大型問題和複雜幾何來說,這使網格生成過程變得簡單許多,使求解過程變得穩定許多。

 

例如,在太陽能電池板的流-固耦合模型(見圖)中,支撐電池板的支桿和樑與周圍的空氣域相比較小。這個尺寸差異導致很難對空氣域以及較小的元件和組件進行網格生成,如果要創建三個不同尺寸的網格,將更加困難。SA-AMG 求解器只需要一個網格階層,更容易獲得。

Left: A model that was solved with the SA-AMG solver in COMSOL Multiphysics version 5.3. Right: A solar panel model created with COMSOL Multiphysics version 5.3.

流體流過太陽能電池板,其表面上的壓力分佈正在承受流-固耦合作用。支撐支桿和梁相對於周圍空氣域的尺寸差異在對模型進行網格生成時帶來挑戰。使用 SA-AMG求解器,求解過程只需要一個網格層,與需要三個網格階層的GMG求解器求解過程相比,更快且更容易實現

有關使用代數多格點求解器的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

CFD_Module/Single-Phase_Tutorials/solar_panel

 

高馬赫數流的新公式和教學案例

對於馬赫數接近或高於1 的非黏性流動,高馬赫數流介面結合使用動量方程和能量方程。現在已透過過開發動量方程式進行了改進,以獲得更高的精度。此外,在案例庫中引入了三個闡明超音速流的新教學模型:三維 Euler Bump、膨脹波以及超音速噴射器教學案例。這些案例都重現了科學研究的結果。

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Left: A model of shock diamonds, created with the CFD Module. Right: A photo of an SR-71 jet as a real-world example of shock diamonds.左圖:使用CFD模組創建的菱形震波模型。右圖:菱形震波真實案例 SR-71 噴氣式飛機的圖片。

超音速噴射器模型中超音速流的速度場中的菱形震波(左圖)。 SR-71噴氣式飛機引擎後的菱形震波(右圖);圖像來源:NASA NASA 並不為 COMSOL Multiphysics® 軟體做擔保

 

有關新的高馬赫數流教學案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:


CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/euler_bump
CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/expansion_fan
CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/supersonic_ejector

新的內壁邊界條件

達西定律、Richards方程以及兩相達西定律介面現在可以定義薄內壁。內壁特徵有利於避免對多孔介質中嵌入的不能滲透的薄結構(如擋土牆、固定板、平板等)進行網格生成,從而減少了計算時間和資源。

 

新的薄屏障邊界條件

在達西定律介面和 Richards方程介面中,現在您可以使用薄屏障邊界條件在內部邊界上定義可滲透壁。這些內部邊界通常用於表示滲透性較低的薄結構。使用薄屏障邊界條件,可以避免對土工織物或多孔板等薄結構進行網格生成,從而減少了計算時間和資源。

 

新教學案例:涉及流動的亥姆霍茲共振器,流動與聲學相互作用

亥姆霍茲共振器用於排氣系統,因為它們可以使特定的窄頻帶衰減。系統中流體的流動會改變共振器的聲學屬性和子系統的傳輸損耗。在此教學模型中,亥姆霍茲共振器位於主管道的側分支,研究主管道中引入流動時的傳輸損耗。

 

平均流動計算時採用馬赫數為Ma = 0.05Ma = 0.1SST紊流模型。然後使用線性 Navier-Stokes,頻域 (LNS) 介面求解聲學問題。LNS模型耦合了平均流速、壓力和紊流粘度。所得結果與期刊論文中的測量結果進行了比較,大小及共振位置表明結果與測量數據完全一致(參見一維繪圖)。需嚴格模擬衰減效應與流動效應之間的平衡,從而得到正確的共振位置。

 

備註:此模型需要使用聲學模組和CFD 模組。

A Helmholtz resonator model featuring the interaction of flow and acoustics.

位於主管道側分支的亥姆霍茲共振器中的聲壓級分佈(前)、表面流線(中)和背景流速幅值(後)


A 1D plot from the Helmholtz Resonator with Flow, Interaction of Flow and Acoustics tutorial model.

對三種流動構型使用 LNS 模型計算的傳輸損耗


“案例庫”路徑:

Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow

 

新的多孔介質反應流介面

新增的多孔介質反應流多物理場介面,大大簡化了填充床反應器、整體式反應器以及其他多相催化反應器的建模。此介面中定義了多孔介質流的擴散、對流、遷移和化學物質反應,無需設置單獨的介面再將其耦合。此多物理場介面自動結合非均相催化的模擬與多孔介質流和稀釋學物質傳遞(或濃縮化學物種輸送)所需的所有耦合和物理場介面。

 

由於此多物理場介面也包含了層流和紊流中的類似模擬,因此您可以切換或定義與其他各類流動模型的新耦合,而不必對相關的物理現象重新定義和設置新介面。在設定視窗中可以選擇要模擬的流動類型以及化學物種輸送,而不會丟失任何已定義的材料屬性或反應動力學。這意味著,您可以在一個反應器中比較自由介質和多孔介質中的不同反應器結構或模型流動,即使這兩種流態連續出現亦是如此(見圖)。

A porous microreactor model created with the Reacting Flow in Porous Media interface.

多孔微反應器模型顯示通過豎針注入自由流動的反應物的濃度等值面,自由流動中包含第二種反應物,隨後將強制通過反應器的整裝催化多孔介質部分。現在可以使用新增的多孔介質反應流多物理場介面完全定義該模型

 

有關使用新的多孔介質反應流 介面的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_PorousCatalyst_porous_reactor

 

新的裂隙中的稀釋物種輸送介面

通常來說,裂隙的厚度相對於其長度和寬度尺寸非常小。在模擬這類裂隙中的化學物種輸送時必須對裂隙表面的厚度進行網格生成,而由於裂隙尺寸方面的較大差異,使其寬高比非常大,因此這類模擬通常非常困難。新的裂隙中的稀釋物種輸送介面將裂隙視為殼,因此僅需要將橫向尺寸生成為表面網格。

 

此介面支援定義平均裂隙厚度,以及裂隙可視為多孔結構這類情況中的孔隙率。對於化學物種輸送,此介面中可以定義有效的擴散率模型來包含孔隙率效應。對流傳遞可以耦合到薄膜流動介面,或通過包含您自己的方程來定義通過裂隙的流體流動。此外,還可以將化學反應定義為發生在裂隙內、其表面上或在裂隙周圍的多孔介質中。

An example illustrating the transport of diluted species along a somewhat curved fracture surface.

沿輕微彎曲的裂隙表面傳遞稀物質。彎曲表面上含壓印的蛇形路徑通過存在流動和化學物種輸送的表面



多孔介質稀釋物種輸送介面中的裂隙表面

在裂隙、多孔三維結構中進行傳遞的情況下,新的裂隙邊界條件支援模擬薄裂隙中的傳遞,而不必將其生成網格為三維實體。裂隙邊界條件包含在多孔介質稀釋物種輸送 介面中(見圖),且其設置與裂隙中的稀釋物種輸送 介面中的相同(詳見前面的描述)。流體流動和化學物種輸送在三維多孔介質結構以及裂隙中的流體流動和化學物種輸送之間無縫耦合。

 

下圖顯示了多孔反應器模型中的濃度場。此模型中,扭曲的裂隙將反應物從左到右“洩漏”到較遠的多孔催化劑中,其速度要比多孔介質傳遞的速度快。這是因為與周圍的多孔催化劑相比,裂隙表面的平均孔隙率要高得多,從而得到更快的質量傳遞速率。

A fracture surface model, created with COMSOL Multiphysics version 5.3.

通過三維反應器的濃度等值線和裂隙表面的表面濃度。裂隙表面的質量傳遞速率較高,使大量未反應的物質滲透(從右到左)到催化劑床中。我們可以看到,裂隙表面從右到左濃度的變化非常小(從 0.63 變為 0.62 mol/m3)