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“CFD 模組”用於執行計算流體動力學模擬,這是COMSOL Multiphysics ®軟體的一個附加產品,為流體流動分析的基礎建模提供多種工具,包括:


內部和外部流動

不可壓縮和可壓縮流動

層流和紊流

單相流和多相流

自由和多孔介質流動


無論是單獨使用本模組,還是將它與COMSOL Multiphysics ®的其他附加模組一起使用,其中的多物理場耦合建模功能幾乎都是無限的。“CFD 模組”為您提供多種工具來模擬含共軛熱傳的非等溫流動、反應流、流-固耦合(FSI)以及電流體動力學(EHD)。不僅如此,您還可以同時添加額外的多物理場耦合與COMSOL 產品庫中的其他模組進行耦合,比如將流體流動與流-固耦合中的大結構變形相結合。無論您的建模對象是什麼,COMSOL 都能為您提供始終如一的模擬環境。


層流和潛變流

您可以使用納維-斯托克斯方程模擬瞬態和穩態層流,或使用斯托克斯方程模擬潛變流。

除了對密度和黏度恆定的流體進行建模以外,您還可以研究黏度和密度與溫度、局部組成、電場或任何其他物理場或變量相關的流體。一般來說,密度、黏度和動量源可以是任意因變量以及因變量導數的任意函數。

對於非牛頓流體,您可以使用冪律、CarreauBinghamHerschel-BulkleyCasson等通用的預定義黏度流變模型來輕鬆地建立模型。

除此之外,您還可以在運動結構(例如開閥和閉閥或旋轉葉輪)中對層流進行建模。


紊流

“CFD 模組”的預定義流動介面提供一組綜合的雷諾平均納維-斯托克斯(RANS)紊流模型,您可以使用這些模型來模擬各種不同的穩態和瞬態紊流。不僅如此,您還可以直接在用戶界面中更改或擴展模型方程,創建尚未包含的紊流模型。


RANS 紊流模型


兩方程模型

* k-ε

* Realizable k-ε

* k-ω

* SST

* 低雷诺数 k-ε

 

其他運輸方程模型

* Spalart-Allmaras

* v2-f

 

代數紊流模型

* 代数 y+


大渦模擬(LES

大渦模擬(LES)用於解析較大的三維非定常紊流渦,而小渦流的影響則通過近似方法表示。這項技術與邊界層網格劃分一起使用時,可以精確描述瞬態流場以及邊界上的精確通量和力。模組中提供的LES 模型包括“基於殘差的變分多尺度”(RBVM)、“基於殘差的黏性變分多尺度”(RBVMWV)和Smagorinsky 模型。


多相流和自由表面

在分離的多相流系統中,您可以使用表面追蹤方法對氣泡、液滴和自由表面的特性進行建模模擬。對於這種情況,通過使用等位函數和相場方法,可以詳細描述相邊界的形狀,包括表面張力效應和拓撲變化。

對於包含大量氣泡、液滴或顆粒的系統,如果它們相比於計算域而言數量較少,則可以使用分散多相流模型進行分析。這些模型可以追蹤不同相的質量或體積分數以及分散的氣泡、液滴或顆粒在平均意義上對流體中動量傳遞的影響。可用的流動模型包括:氣泡流、混合物、Euler-Euler 和相傳遞混合物模型。


多孔介質流動

借助“CFD 模組”,您可以使用三個不同的多孔介質流動模型輕鬆地模擬多孔介質中的流體流動。達西定律 模型是描述多孔結構中流動的一種可靠且計算成本較低的模型,也適用於多相流。Brinkman 方程 模型是達西定律的延伸,解釋了黏性剪切引起的動能耗散,並可以包含慣性效應。對於高孔隙率的高度開放結構來說,該模型比達西定律更加通用,但計算成本也更高。

自由和多孔介質流動 模型將多孔區域中的流動與自由區域中的層流或紊流相耦合,其中為多孔域使用Brinkman 方程,並在自由域中使用納維-斯托克斯方程。

有關特定特徵和功能的更多詳細信息,請參閱多孔介質流模組或地下水流模組。


高馬赫數流動

模擬可壓縮流體在層流和紊流狀態下的跨音速和超音速流動。層流模型通常用於低壓系統,它可以自動定義理想氣體的動量、質量和能量平衡方程。此外,k-ε Spalart-Allmaras 紊流模型還支持分析高馬赫數流動。

在這兩種情況下求解這些模型時,都可以使用自動網格細化來細化速度和壓力梯度非常高的區域的網格,從而解析激波形狀。


旋轉機械中的流體流動

攪拌器和泵等旋轉機械在產生流體流動的工藝和設備中十分常見。“CFD 模組”提供旋轉機械介面,可以指定旋轉坐標系中的流體流動方程,適用於層流和紊流。您可以使用旋轉系統的全瞬態描述或基於凍結轉子近似的平均方法來求解問題。凍結轉子法能夠有效節省計算成本,可用於計算平均速度、壓力變化、混合水平、平均溫度和濃度分佈等。

總的來說,“CFD 模組”不僅可以求解旋轉坐標系中的流體流動問題,還能求解任何移動坐標系(例如開閥和閉閥)中的此類問題。您可以使用移動坐標系來求解兩個結構之間存在流體流動時,其中一個結構相對於另一個結構的滑動問題,採用移動網格可以輕鬆建立並求解此類問題。


薄膜流動

“CFD 模組”提供薄膜流動介面用於描述運動機械部件(摩擦學)或斷裂結構之間的薄油膜等薄域中的流動,常用於模擬潤滑作用、彈性流體動力學,或運動部件之間由於存在氣體或液體而產生的流體阻尼效應(例如在MEMS 中)。


淺水方程

您可以使用淺水方程模擬水平長度尺度遠大於垂直長度尺度的自由表面下的流動。淺水方程可以通過對納維-斯托克斯方程進行深度平均得到,其中的因變量為水深和動量通量。這些方程可以用來模擬海嘯和洪水的影響。


創建實際的多物理場模型

COMSOL Multiphysics ®中模擬多個物理現象與單個物理現象問題幾乎一樣輕鬆

非等溫層流

溫度相關的流體屬性和浮力;固體-流體邊界上的連續溫度和熱通量。

非等溫紊流

使用RANS LES 計算固體-流體邊界的共軛熱傳的低雷諾數公式或熱壁函數。


流固耦合:單向研究

流固耦合,其中流動在結構上產生載荷,但結構的變形非常小,不會影響流動。

流固耦合:全耦合1

流固耦合,其中流動在結構上產生載荷,使結構發生較大變形,變形反過來又會影響流動。


一般反應流

使用混合物平均模型或菲克定律分析稀和濃混合物中的多組分運輸和反應。

進階反應流2

層流的完整 Maxwell-Stefan 多組分運輸方程。


攪拌器3

旋轉機械的多相流和自由表面,以及葉輪和容器的“零件庫”。

粒子追蹤4

Euler-Lagrange 多相流模型,其中顆粒或液滴作為離散實體進行建模。



管道流和CFD 5

連接到發生非等溫流動的二維/三維流體域的管道和通道,適用於層流和紊流。



1. 需要“結構力學模組”、“MEMS 模組”或“多體動力學模組”

2. 需要“化學反應工程模組”、“電池模組”或“燃料電池和電解槽模組”

3. 需要“攪拌器模組”

4. 需要“粒子追蹤模組”

5. 需要“管道流模組”


適用於求解CFD 問題的通用功能

CFD 模組”為流體流動模擬提供專用的功能,並在COMSOL Multiphysics ®平台上無縫工作,從而實現一致的建模工作流程。


流體流動介面

為了模擬層流、紊流、多相流、可壓縮流動、高馬赫數流動和薄膜流以及淺水方程,“CFD 模組”提供了大量定制的流體流動介面來分析這些流動的不同狀態。每個流體流動介面都定義了域方程組、邊界條件、初始條件、預定義網格、預定義研究(具有穩態和瞬態分析的求解器設置),以及預定義的繪圖和計算值。

幾何

圍繞導入的CAD 幾何生成流動域(例如邊框)。不僅如此,您還可以使用多種工具自動或手動移除可能與流體流動無關的細節。您可以使用CAD 導入模組來導入大多數CAD 文件格式,並執行修復和特徵去除操作。此外,用於CAD 的內置幾何工具還能創建複雜的幾何形狀和域。


材料

CFD 模組”內置的“材料庫”包含最常見的氣體和液體。與化學反應工程模組或氣液屬性模組結合使用時,您還可以訪問流體熱力學屬性的一般描述(如黏度、密度、擴散係數、導熱係數、生成熱和相變)。

網格劃分

CFD 模組”中的物理場控制網格功能在生成網格序列時包含了流體流動問題中的邊界條件。系統可以自動生成邊界層網格,便於您求解常在應用壁條件的表面產生的速度梯度。


離散化

流體流動介面採用伽遼金法/最小二乘法和Petrov-Galerkin 法對流動方程進行離散,並在空間(二維、二維軸對稱和三維)中生成數值模型。測試函數可用於穩定運輸方程中的雙曲項和壓力項。激波捕捉技術可進一步減少寄生振盪。此外,間斷伽遼金公式可用於使內部和外部邊界上的動量、質量和能量守恆。

求解器

流動方程通常呈高度非線性。自動求解器設置可以選擇合適的阻尼牛頓法來求解數值模型方程。對於大型問題,牛頓法的線性迭代可通過專門為傳輸問題設計的最新代數多重網格或幾何多重網格方法進行加速。

對於瞬態問題,通過採用自動時間步進和自動多項式階數的時間步進技術,並結合上述非線性求解器,能夠實現以盡可能高的精度求解速度場和壓力場。


結果計算和可視化

流體流動介面可以生成許多默認繪圖,供您分析速度場和壓力場。流線圖可以用來顯示流量和流動方向。表面圖和體積圖可用於顯示壓力和速度矢量的大小。此外,您還可以輕鬆訪問大量計算值和變量來提取分析結果,例如曳力係數。

模擬App

您可以使用COMSOL Multiphysics ®包含的App 開發器在任何現有模型的基礎上構建用戶界面。借助這一工具,您可以為特定目的創建定制的模擬App,並在其中包含明確定義的輸入和輸出。App 可以用於許多不同的目的:使困難且重複的任務自動化、創建和更新報告、為非專業人員提供用戶友好的界面、在組織內部增加對模型的訪問,以及更好地服務客戶,從而獲得競爭優勢。


軟體展示需求

每一間公司對於模擬的需求不盡相同,為了能有效地評估COMSOL MultiphysicsR軟體是否能符合您的需求,請您與我們聯繫!

我們的業務與技術人員將根據您的需求,提供您完整的案例並協助您進行評估,以選擇最適合您的模組。

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