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CFD 模組

計算流體力學模擬的相關多物理場解決方案

針對所有流體流動應用的模擬軟體

CFD 模組是利用複雜流體流動模型模擬儀器和系統的平臺。與COMSOL 模組套件中的其它模組一樣,CFD 模組提供了現成的物理介面,這些物理介面通過圖形用戶界面 (GUI) 定義模型輸入並生成模型方程。CFD 模組的特定物理介面使您可以模擬大多數的流體流動過程,包括可壓縮流、非等溫流、非牛頓流、兩相流和多孔介質流,這些流體類型全部屬層流和紊流範疇。CFD 模組是計算流體動力學 (CFD) 模擬的標準工具;在某些多物理場模擬應用中流體流動過程非常重要,此時 CFD模組可以與 COMSOL 模組套件中的其他模組耦合。

 

CFD 模組 GUI 允許您存取模擬過程中的所有步驟。這包括:

·         選擇合適的流體模型,例如單相流或兩相流、層流或紊流等。

·         創建或導入模型幾何

·         定義流體屬性

·         添加源項和沉項,或編輯底層方程(如需要)

·         選擇網格元素類型並控制不同區域的網格密度

·         選擇並設置求解器(如需要)。

 

適用於任何類型流體的物理介面

整合了描述不同流體流動類型的工具,並可在易用的物理介面中使用。這些介面的底層方程定義了流體流動的動量守恆、質量守恆和能量守恆方程,並考慮通過多物理場耦合對其他物理場的影響。此外,它們還生成了這些方程的數值穩定形式,供COMSOL 用於穩態或瞬態問題的空間有限元離散與時間導數的有限差分。物理介面會對數值穩定形式進行調整,使之適應定義好的流體屬性和函數,並且還會根據所描述的流動類型,給出求解器的建議配置。專業定制的物理介面可用於以下類型的流體流動:

 

單相流 CFD 模組可以求解多種形式的 Navier-Stokes 方程,模擬所有速度範圍的流體。這包括低速流體或蠕動流(Stokes流)、層流和弱可壓縮流以及紊流。紊流模型使用雷諾平均 Navier-Stokes (RANS) 方程,包含 k-ε、低雷諾數 k-εk-ωSST(剪切應力輸運)和 Spalart-Allmaras 紊流模型。 

您可以選擇控制 Navier-Stokes 方程中的所有變量和紊流模型中的任意項。例如,您可以加入基於其他耦合物理場介面中的模型變量的方程。此外,還有一些附加工具可以幫助紊流模型的求解過程,其中包括用於壁函數指定的工具,例如壁粗糙度、自動邊界層網格剖分、混合網格,以及其它用於調整網格密度和位置的工具。

 

非等溫流與傳熱耦合時,缺省情況下會考慮層流和紊流中的熱致浮力。CFD 模組包含了用於非等溫和共軛傳熱的預定義多物理介面。該模組可以結合任意的多物理場耦合來定義弱可壓縮流,即馬赫數小於 0.3 的流體。

 

可壓縮流 CFD 模組也能夠模擬馬赫數大於 0.3 的可壓縮流,其中,由傳熱、壓縮作工或摩擦力作工導致的溫度變化會產生顯著的壓縮效果,例如激波。COMSOL Multiphysics 中內置的自適應網格剖分功能可以極大地幫助解析激波和流體流動分佈曲線中變化劇烈的區域。

 

兩相流由用戶選擇模擬兩相流的物理介面和方程。CFD 模組會採用相場或等位函數法追蹤兩種或多種不相容流體的移動相界面。 

CFD 
模組還包含用於分散兩相流體流動模型的物理介面,通過氣泡流模型、混合物模型和 Euler-Euler 模型等方法描述含有大量懸浮顆粒、液滴或氣泡的流體。後一種方法可以處理頻繁碰撞且相態之間相對速度變化很大的高濃度氣泡。傳熱模組還包含用於模擬冷凝和潮濕空氣的介面,其中的相態變化使用 COMSOL Multiphysics 中的內置步階函數描述。

 

多孔介質流使用 CFD 模組,您還可以採用 Darcy 定律或 Darcy 定律的 Brinkman 擴展形式,模擬單相流和兩相流在多孔介質中的傳遞。Darcy 定律適用於孔隙足夠小可以忽略粘性效應的多孔介質,因而流動由壓強差驅動,而 Brinkman 方程則包括了粘性項。此外,還內置了用於模擬自由流道和多孔介質之間界面的內部邊界。

 

旋轉機械旋轉機械介面用於描述幾何結構動態變化的旋轉部件,例如攪拌機中的葉片,或流體域中螺旋槳的旋轉翼片。還可以利用附加額外流體方程項的凍結轉子介面近似地模擬旋轉過程,而不需要在模擬計算時改變幾何結構。該物理介面使用的計算資源比求解實際旋轉少得多,它會在穩態 Navier-Stokes 方程中添加離心力或科裡奧利力,為模擬渦輪機、離心分離機和攪拌機等提供良好的近似模擬。此外,還提供了可用於模擬旋轉流動的渦流介面。該物理介面定義了軸對稱模型的面外渦流速度分量,即在二維模型中定義了三維速度(向)矢量,這與全三維模型相比也可以降低計算量。

 

薄膜流 CFD 模組中內置的專業物理介面,用於模擬液體或者氣體在兩個表面間的薄層中,或一個表面上的流動,例如潤滑油。

 

非牛頓流體 CFD 模組內置了 Carreau 模型和冪律定律模型,但您也可以通過自定義方程或導入外部數據來描述聚合物和其他非牛頓流體的黏度和剪切速率。例如,您可以通過這種方式定義粘彈性模型。COMSOL Multiphysics 中內置了階躍函數,可以用於模擬流體屬性中的巨變或突變,例如,描述 Bingham 流體。

 

通過薄濾網的流體使用內置的薄濾網功能,可以更簡便地模擬流體穿過孔板、格柵和絲網的過程。它含有折射係數和阻力係數的相關性,考慮了通過濾網的流體的影響,以及在層流或紊流通過濾網前後的影響。

 

流體流動與傳熱 CFD 模組包含了一個共軛傳熱介面,用於描述固體和流體中全耦合傳熱,包括層流和紊流。缺省情況下,這可以求解非等溫流,並且可以與包含溫度場的任何其他物理介面相耦合,例如,傳熱模組中的表面對表面輻射介面、焦耳熱介面,以及化學物質傳遞中的反應熱介面。此外,多孔介質傳熱物理介面會將耦合固體基體與流體中的熱傳導和熱對流,並同時考慮流體所經過的曲折路徑,以及由此產生的熱耗散。

 

反應流專業介面,耦合層流、紊流與稀物質傳遞、濃物質傳遞,您可以將該介面與化學反應工程模組中的化學反應介面耦合。

除了內置公式之外,您還可以定義並在編輯區域中輸入由模型變量構成的任意函數表達式,用來引入源項或匯項、定義材料屬性或邊界條件。例如,您可能希望使用自己的函數定義一些物理屬性,以描述成分、溫度、剪切速率或任何其他模型變量的影響。您可能還希望定義邊界條件、源項與匯項,它們是模型變量的函數,或與其它物理場的耦合。您可以直接在 GUI 中執行該操作,而不需要引入繁瑣的用戶子程序。由於能夠定義任意的模型變量方程(例如,在域橫截面或控制體中求平均),所以還可以通過使用雷諾數、馬赫數和格拉曉夫數的不同表示形式來描述流體流動的特徵。

在添加源項、匯項或以函數方式定義物理屬性的進一步步驟中,您還可以編輯上述物理介面的底層方程,即修正流動方程或創建更多與其他物理介面的非標準耦合。

許多物理介面還提供了複雜邊界條件的設置。除了滑移和無滑移邊界條件,您還可以通過設置壁邊界來模擬滑動壁、移動壁、滲漏壁乃至開口邊界等邊界條件。對於紊流模型,可以定義壁函數及其相關的調節參數。對於入口和出口,可以配置壓強、應力或質量流等條件,也可以配置速度或速度場輪廓線,以及週期性流動邊界條件(將一個邊界的出口流動鏈接到另一個邊界的入口)。在模擬重複單元幾何體的單個單元體時,週期性邊界條件會很有用。

多物理場和多學科模擬的統一平臺

流體流動是許多生產過程和應用的主要部分,必須瞭解流動過程並根據流場對其它過程的影響而進行系統優化。計算機硬盤的有效散熱、加速計阻尼膜內的能量耗散,以及化學反應器不同區域的物質傳遞,都是流體流動對其他物理場過程產生影響的示例。但在現實中,電子器件所散發的熱量會影響流體的密度。彈性加速計會在流場內產生振盪,化學反應會引起組分變化並且可能改變流體流動的驅動力。這意味著為了全面準確地描述整個過程必須考慮這些因素的影響。

通過不同物理場的無縫耦合,並直接無阻礙地在 GUI 中的存取模型方程,COMSOL Multiphysics  CFD 模組可以幫助描述此類過程。此外,您還可以配置流體結構相互作用 (FSI) 的雙向耦合機理。此功能可以模擬流固強耦合過程:流體使結構發生形變,而結構形變反過來又影響流體流動。CFD 模組中的所有物理介面都可以與 COMSOL 產品套件中的任何其他模組耦合,為考慮計算流體動力學的應用提供了標準平臺。

除了 CFD 模組之外,COMSOL 還提供了其它一些模擬流體流動的模組,這些模組仍然可以簡便地耦合並同時利用兩者的優點。例如,管道流模組使用邊界單元模擬二維或三維管道網絡中充分發展的流體,定義了管道切向方向上的平均速度分量。這使您可以模擬過程中與罐相連的管道網絡中的流動,而不必對管道網絡中的橫截面進行網格剖分,而這會產生大量的三維網格單元。COMSOL 可以無縫地將數據從邊映射到二維面和三維體(反之亦然),從而可以將管道網絡與橫截面完全網格剖分的二維或三維幾何模型相耦合。通過這種方式,您可以考慮整個管道網絡內任一單元的計算流體動力學屬性,並調節兩個相連裝置的操作條件。

由於所有物理場均使用標準圖形用戶界面和建模流程進行模擬,CFD 工程師可與其他工程師方便地進行溝通,分析同一組件或過程的不同特性(例如結構、電氣或化學屬性)。您所要做的就是發送文件、刪除不需要研究的物理場、添加一個或兩個新物理介面,再繼續模擬。當然還要將新物理介面耦合到流場中,從而實現對組件或過程的全多物理場模擬。

逐步逼近最終 CFD 

設備或過程中的計算流體動力學模擬工作通常是一套逐步接近最終準確解的建模流程。CFD 模組包含了多種不同的工具、功能、設置和介面來協助您完成建模流程中的所有步驟。

CAD 導入模組 或任一 LiveLink™ 模組可以協助您從第三方 CAD 軟體中導入要模擬的部件、組件或過程的幾何結構。這些模組允許您隨後對幾何進行修正,以減少對於建模流程不重要,但會使 CFD 模擬的網格剖分變複雜的小細節和瑕疵。

三維 CAD 導入到 CFD 模組中之後,您可能並不希望立即執行三維模擬。在三維 COMSOL Multiphysics 幾何模型中可以創建二維模擬工作區。通過處理二維幾何結構(例如典型的橫截面),您可以讓自己熟悉模擬中的許多參數。無需調用三維模型所必需的大量計算資源,您就可以:

·         研究流體屬性對於整體模擬的影響

·         選擇合適紊流模型來使用

·         確定合適的網格剖分與邊界層網格的位置

·         選擇求解器及其設置

·         研究多物理場耦合對流體流動的影響

·         三維模型的精度估計

 

有了對系統更多的瞭解,利用二維模型中獲得的知識和優化設置您可以執行完整的三維模擬。該功能對於處理對稱或軸對稱三維 CAD 設計也特別有用,也可以避免全部三維模擬,並顯著地降低計算需求。

提高網格剖分和強健性求解靈活性的工具

對於設備或過程中的計算流體力學模擬來說,網格剖分通常是一個關鍵步驟。網格必須足夠細以提供必要的精度,但又不能太密以致耗費計算資源。COMSOL Multiphysics 提供了多種網格剖分工具,以確保優良的流體流動模擬網格。這包括創建非結構化、結構化或掃掠網格,可以靈活地考慮模擬域的幾何尺寸與比例,以及對於流動方向的影響。CFD 模組還採用邊界層網格在壁之類的邊界插入結構化網格層,並將它們整合到周圍的結構化或非結構化網格中,成為一個整體的混合網格。

 

CFD 模組使用 COMSOL Multiphysics 自帶的大多數線性、非線性、瞬態和參數化求解器。這包括具有良好收斂性的用於求解二維和小型三維模型的直接求解器,以及用於大型複雜模型的迭代求解器。預處理器和多重網格求解器可與其他求解器配合工作,以確保獲得解。軟體提供了高級求方法,例如側風擴散、流線擴散以及平滑方法,其參數值可以與大多數其他求解器一起進行微調。CFD 模組還可以在同一模型中採用不同離散階次的單元,可以應用低階次的單元來求解某個變量(例如壓強),使用高階次的單元來求解其他變量。

通過求解器配置方案,還可以更好地逼近求解過程的初始值。這包括先求解簡單流場,例如某個模型域內的層流場,再將該結果做為紊流模型的初始猜測值。將凍結轉子介面的解用作旋轉域全模擬模型的初始猜測值,可以節省大量的計算資源。

 CFD 模擬中獲得精確的描述數據

CFD 模組可以計算流體流動的固有屬性,例如:流動模式;壓降;物體所受流體作用力、阻力、升力;溫度分佈;以及系統的流體組分變化。此外,CFD 模組還提供表面、流線、流帶、箭頭等定性後處理方式,以及定性粒子追蹤圖和動畫。底層方程中所有的參數和變量以及額外項的數據均可供存取、提取,並可與任何其他參數或變量進行繪圖對照。這包括後處理派生值,例如升力係數和阻力係數。在 CFD 問題求解中耦合粒子追蹤物理場,您可以考慮粒子的碰撞和自身動量對流場 (Lagrange-Euler)的影響,以及粒子之間的相互作用。