Модуль «Вычислительная гидродинамика» (CFD)

Мультифизический инструмент для решения задач вычислительной гидродинамики

Модуль «Вычислительная гидродинамика» (CFD)

Поле турбулентного течения в перегородчатом реакторе в двумерном приближении и в трехмерной модели

Программное обеспечение для решения любых гидродинамических задач

Модуль «Вычислительная гидродинамика» представляет собой платформу для моделирования устройств и систем, в которых реализуются сложные процессы течения жидкости. Как и остальные модули пакета COMSOL®, модуль «Вычислительная гидродинамика» содержит готовые физические интерфейсы, позволяющие вводить исходные данные задачи через графический пользовательский интерфейс и использовать эти данные при описании уравнений расчетной модели. Отдельные интерфейсы модуля «Вычислительная гидродинамика» позволяют решать самые разные задачи гидродинамики, в том числе задачи о ламинарном и турбулентном течении сжимаемых, неньютоновских жидкостей, двухфазных потоков, потоков в пористой среде и неизотермических потоков. Модуль «Вычислительная гидродинамика» может использоваться как рабочий инструмент для решения задач вычислительной гидродинамики либо, совместно с другими модулями пакета COMSOL®, — для мультифизического моделирования процессов, в которых течение жидкости имеет определяющее значение.

Графический пользовательский интерфейс модуля «Вычислительная гидродинамика» обеспечивает полный контроль на всех этапах моделирования:

  • Выбор режима течения: например, однофазный или двухфазный, ламинарный или турбулентный и т.д.
  • Создание или импорт геометрического описания модели
  • Описание свойств жидкости
  • Добавление источниковых членов и, при необходимости, адаптация уравнений, описывающих течение жидкости
  • Выбор типа конечных элементов сетки и контроль плотности сетки в разных частях расчетной области
  • Выбор и, если потребуется, настройка алгоритмов решения уравнений (решателей)


Дополнительные изображения с примерами:

  • Течение в смесителе. Степень смешения определяется с помощью трассировки частиц Течение в смесителе. Степень смешения определяется с помощью трассировки частиц
  • Поле течения в перегородчатом смесителе с мешалкой, рассчитанное с помощью интерфейса «Ротационные машины» Поле течения в перегородчатом смесителе с мешалкой, рассчитанное с помощью интерфейса «Ротационные машины»
  • Неизотермическое течение: моделирование системы вентиляции. На рисунке показаны изотермические поверхности. Неизотермическое турбулентное течение моделировалось с помощью k-ε-модели турбулентности Неизотермическое течение: моделирование системы вентиляции. На рисунке показаны изотермические поверхности. Неизотермическое турбулентное течение моделировалось с помощью k-ε-модели турбулентности
  • Двухфазное течение: анализ циркулирующего кипящего слоя с помощью модели Эйлера — Эйлера, в которой газ проходит через засыпку из твердых частиц, унося их вверх по вертикальному каналу Двухфазное течение: анализ циркулирующего кипящего слоя с помощью модели Эйлера — Эйлера, в которой газ проходит через засыпку из твердых частиц, унося их вверх по вертикальному каналу
  • Течение неньютоновской жидкости: зависимости скорости сдвига, динамического коэффициента вязкости и объемного расхода полистирола, а также объемного расхода эквивалентной ньютоновской жидкости от давления Течение неньютоновской жидкости: зависимости скорости сдвига, динамического коэффициента вязкости и объемного расхода полистирола, а также объемного расхода эквивалентной ньютоновской жидкости от давления
  • Турбулентное течение: Тестовая задача для проверки SST модели турбулентности при обтекании крылового профиля. На картинке показаны расчетные (линия) и экспериментальные данные для коэффициента давления вдоль поверхности профиля. Экспериментальные данные были получены только для диффузорной части профиля [N. Gregory and C. L. O’Reilly, “Low-Speed Aerodynamic Characteristics of NACA 0012 Aerofoil Section, including the Effects of Upper-Surface Roughness Simulating Hoar Frost,” A.R.C., R. & M. No. 3726, 1970]

    Турбулентное течение: Тестовая задача для проверки SST модели турбулентности при обтекании крылового профиля. На картинке показаны расчетные (линия) и экспериментальные данные для коэффициента давления вдоль поверхности профиля. Экспериментальные данные были получены только для диффузорной части профиля [N. Gregory and C. L. O’Reilly, “Low-Speed Aerodynamic Characteristics of NACA 0012 Aerofoil Section, including the Effects of Upper-Surface Roughness Simulating Hoar Frost,” A.R.C., R. & M. No. 3726, 1970]

  • Течение неньютоновской жидкости: зависимости скорости сдвига, динамического коэффициента вязкости и объемного расхода полистирола, а также объемного расхода эквивалентной ньютоновской жидкости от давления Течение неньютоновской жидкости: зависимости скорости сдвига, динамического коэффициента вязкости и объемного расхода полистирола, а также объемного расхода эквивалентной ньютоновской жидкости от давления

Физические интерфейсы для любых типов течений

Средства для выбора математического описания течения жидкости объединены в группы в виде простых физических интерфейсов. Интерфейсы представляют собой совокупность уравнений сохранения массы, импульса и энергии, которая описывает течение жидкости с учетом условий сопряжения с другими физическим процессами. Более того, физические интерфейсы задают устойчивую форму названных уравнений, на основе которой пакет COMSOL® осуществляет пространственную дискретизацию методом конечных элементов и временную дискретизацию методом конечных разностей для решения стационарных и нестационарных задач. С помощью физических интерфейсов форма уравнений адаптируется к выбранному описанию и функциям, определяющим свойства жидкости. Кроме того, физические интерфейсы содержат конфигурацию и настройки решателя для анализируемого типа течения. В модуле «Вычислительная гидродинамика» предусмотрены специальные физические интерфейсы для следующих типов течений:

  • Однофазные потоки: Модуль «Вычислительная гидродинамика» позволяет моделировать течение жидкости с любыми скоростями на основе решения уравнений Навье — Стокса в различных формулировках. Данный интерфейс предназначен для моделирования низкоскоростных потоков, ползущих (стоксовских) течений, ламинарных и турбулентных течений несжимаемой жидкости. Для описания турбулентных течений используются осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье — Стокса (RANS), дополненные различными моделями турбулентности: стандартная и низкорейнольдсовая k-ε модели, k-ω и SST (Ментера) модели и модель Спаларта — Аллмараса.

    Пользователю предоставлена возможность контролировать и изменять любые переменные уравнений Навье — Стокса и параметры моделей турбулентности. Например, при решении гидродинамических задач можно использовать переменные, которые рассчитываются в других сопряженных физических интерфейсах. Существует множество дополнительных инструментов, помогающих при моделировании турбулентности. Среди них инструменты для расчета пристеночных функций, в том числе с учетом шероховатости поверхности, автоматическое построение сетки в пограничном слое, гибридные сетки и другие инструменты для настройки плотности и расположения сеток.
  • Неизотермическое течение. При решении сопряженных задач теплообмена термогравитационные силы по умолчанию учитываются как в ламинарных, так и в турбулентных потоках. Модуль «Вычислительная гидродинамика» включает в себя готовые мультифизические интерфейсы для моделирования неизотермических течений и решения сопряженных задач теплообмена. Модуль позволяет устанавливать произвольные мультифизические взаимосвязи для расчета течений несжимаемой жидкости, то есть потоков с числом Маха меньше 0,3.
  • Течение сжимаемой жидкости. Модуль «Вычислительная гидродинамика» позволяет также моделировать течение сжимаемой жидкости при числе Маха больше 0,3, когда изменение температуры потока, обусловленное теплообменом, работой сил сжатия или сил трения, приводит к значительным эффектам сжимаемости, например, появлению скачков уплотнения. Алгоритмы построения адаптивных сеток, реализованные в пакете COMSOL Multiphysics®, существенно упрощают моделирование ударных волн и течений при значительных изменениях плотности жидкости.
  • Двухфазные потоки. Для моделирования двухфазных потоков в модуль «Вычислительная гидродинамика» включены физические интерфейсы и вспомогательные уравнения. При необходимости отслеживания движущихся границ, разделяющих два или более несмешивающихся потока, модуль «Вычислительная гидродинамика» позволяет использовать методы фазовых полей или функций уровня.

    Для описания течений дисперсных двухфазных потоков, то есть потоков, содержащих взвеси большого числа частиц, капель или пузырьков, используются модели пузырькового течения, смешения или Эйлера—Эйлера, которые включены в физические интерфейсы модуля «Вычислительная гидродинамика». Модель Эйлера — Эйлера используется для описания потоков при высоких концентрациях пузырьков, когда пузырьки часто сталкиваются при значительной разности относительных скоростей между фазами. Модуль «Теплопередача» (Heat Transfer) также включает в себя интерфейсы для моделирования конденсации и течения влажного воздуха, в которых фазовые переходы описываются с помощью встроенных пошаговых функций пакета COMSOL Multiphysics®.
  • Течение в пористых средах Модуль «Вычислительная гидродинамика» позволяет также моделировать однофазные и двухфазные течения в пористых средах. Для описания таких процессов используются закон Дарси и уравнение Бринкмана. Закон Дарси хорошо описывает течение в мелкодисперсных пористых средах, когда движение жидкости определяется градиентом давления, а влиянием вязкостных эффектов можно пренебречь. Уравнения Бринкмана, в свою очередь, позволяют учесть влияние вязкости жидкости. Кроме того, в интерфейсе реализованы условия сопряжения, которые позволяют моделировать межфазную границу между свободным потоком жидкости в канале и пористой средой.
  • Ротационные машины. Набор интерфейсов «Ротационные машины» (Rotating Machinery) служит для моделирования вращающихся объектов, например, лопаток смесителя или вентилятора, работающих в потоке жидкости. В модуле реализован также интерфейс «Неподвижный ротор» (Frozen Rotor), в котором вращение описывается за счет включения в уравнения движения дополнительных членов без изменения геометрии в ходе моделирования. В этом интерфейсе в стационарные уравнения Навье — Стокса добавлены члены, учитывающие действие центробежных или кориолисовых сил. Такой подход позволяет существенно сэкономить вычислительные ресурсы по сравнению с непосредственным описанием вращения при сохранении хорошей точности расчета в задачах моделирования турбин, центробежных сепараторов и смесительных аппаратов. Для моделирования вихревых течений в модуль «Вычислительная гидродинамика» включен интерфейс «Вихревое течение» (Swirl Flow). В этом физическом интерфейсе для описания осесимметричных моделей используется дополнительная вихревая компонента скорости, создающая в двумерной геометрии трехмерный вектор скорости, что также сокращает требования к вычислительным ресурсам по сравнению с полным трехмерным моделированием.
  • Тонкопленочное течение. Специальный физический интерфейс модуля «Вычислительная гидродинамика», предназначенный для расчета течений жидкостей в тонких слоях между двумя поверхностями или на одной поверхности. Интерфейс может использоваться, например, для моделирования процессов смазки.
  • Течение неньютоновских жидкостей. В модуле «Вычислительная гидродинамика» реализованы модели Каро и степенные модели неньютоновских жидкостей. Кроме того, пользователь может задавать собственные уравнения или использовать внешние данные для описания вязкости и скорости сдвига полимеров и других неньютоновских жидкостей. Таким образом можно, например, задавать модели вязкоупругих жидкостей. Для описания вязкопластичных жидкостей можно использовать встроенные в пакет COMSOL Multiphysics® ступенчатые функции, предназначенные для моделирования резких или сильных изменений свойств текучей среды.
  • Течение через тонкие экраны. Встроенная функция «Тонкие экраны» (Thin Screens) упрощает моделирование процессов течения через перфорированные пластины, решетки, мелкие проволочные сетки. Функция определяет зависимости для расчета коэффициентов сопротивления и рефракции, которые определяют структуру ламинарного или турбулентного течения жидкости через экран, а также перед и за экраном.
  • Течение жидкости и теплообмен. Для моделирования сопряженного теплообмена как при ламинарном, так и при турбулентном режимах неизотермического течения жидкости используется интерфейс «Сопряженный теплообмен» (Conjugate Heat Transfer) модуля «Вычислительная гидродинамика». Интерфейс может быть связан с любым другим интерфейсом, содержащим расчет поля температуры, например, интерфейсом модуля «Теплопередача» (Heat Transfer) для расчета излучения «с поверхности на поверхность», интерфейсом «Джоулев нагрев» (Joule Heating) или интерфейсом «Массоперенос химических реагентов» (Chemical Species Transport) для расчета теплоты реакций. Кроме того, физические интерфейсы, описывающие теплопередачу в пористой среде, позволяют выполнить расчет переноса теплоты как в твердой фазе за счет теплопроводности, так и в потоке жидкости за счет теплопроводности и конвекции с учетом извилистой траектории движения жидкости и связанным с ним рассеиванием теплоты.
  • Течение химически реагирующих жидкостей. Специальный интерфейс, описывающий ламинарное и турбулентное течения слабых и сильных растворов химических реагентов. Пользователь может объединять этот интерфейс другими интерфейсами модуля «Моделирование химических реакций» (Chemical Reaction Engineering), предназначенного для описания химических реакций.

Помимо использования встроенных уравнений пользователь для описания источниковых членов, свойств материалов или граничных условий может задавать собственные соотношения в виде произвольных функций искомых переменных. Таким образом, с помощью заданных пользователем функций, можно, например, описать зависимость физических свойств от химического состава смеси, температуры, скорости сдвига или любой другой модельной переменной. Граничные условия и источниковые члены уравнений также можно задать как функции модельных переменных. Это можно сделать непосредственно в графическом интерфейсе без написания громоздких пользовательских подпрограмм. С помощью пользовательских уравнений можно, например, рассчитывать средние по поперечному сечению или объему значения переменных, а также задавать параметры течения через числа Рейнольдса, Маха, Грасгофа и другие безразмерные числа подобия.

Пользователь может не только вводить собственные соотношения для расчета источниковых членов уравнений или определения физических свойств среды, но и изменять основные уравнения, встроенные в перечисленные выше физические интерфейсы, чтобы описать еще более нестандартные связи с другими физическими интерфейсами.

Многие физические интерфейсы позволяют задавать сложные граничные условия. Кроме условий проскальзывания и прилипания, пользователь может задать на стенках условия скольжения или подвижной границы, а также условия проницаемой стенки или даже свободной границы. Для моделей турбулентности можно задать пристеночные функции и их модельные параметры. Для входных и выходных сечений можно задать постоянную скорость или профиль скорости, а также давление, напряжение, массовый расход или периодические граничные условия, которые связывают параметры потока на входной и выходной границах расчетной области. Периодические граничные условия полезны при моделировании геометрии, содержащей периодические элементы.

Универсальная платформа для мультифизического и междисциплинарного моделирования

Течения различных типов реализуются во многих технологических процессах, и зачастую необходимо анализировать влияние параметров потока на остальные характеристики процесса и проводить оптимизацию этих параметров. Эффективное охлаждение жесткого диска компьютера, рассеивание энергии внутри амортизирующей прокладки акселерометра или массоперенос реагентов в разных частях химического реактора — все это примеры задач, в которых течение жидкости оказывает определяющее влияние на процессы различной физической природы. В реальных задачах плотность жидкости зависит от температуры, которая изменяется вследствие тепловыделения, как, например, в задачах об охлаждении электронных устройств. Упругость акселерометра вызывает колебания в потоке, а химические реакции изменяют состав и, как следствие, давление в потоке химически реагирующей смеси. Для максимально полного и точного описания моделируемого процесса необходимо учитывать все эти факторы.

Среда COMSOL Multiphysics® и модуль «Вычислительная гидродинамика» позволяют моделировать подобные процессы с помощью непрерывного сопряжения всех решаемых уравнений, открывая свободный доступ к их параметрам непосредственно в графическом пользовательском интерфейсе. В модуле реализованы соотношения, описывающие двустороннее сопряженное взаимодействие твердых тел с потоком жидкости, что позволяет моделировать ситуации, когда элементы конструкции могут деформироваться под воздействием потока, а реакция конструкции на деформацию, в свою очередь, влияет на структуру течения. Все физические интерфейсы в модуле «Вычислительная гидродинамика» могут быть объединены с любыми другими модулями COMSOL®, образуя универсальную платформу для решения задач вычислительной гидродинамики.

В среду COMSOL® также включены модули, реализующие иные подходы к моделированию течений, отличающиеся от методов, используемых в модуле «Вычислительная гидродинамика». Однако, эти альтернативные подходы могут быть легко объединены в рамках одной модели, что позволяет использовать преимуществами каждого из них. Примером может служить модуль «Течение в трубах» (Pipe Flow), предназначенный для описания стабилизированного течения в двумерных и трехмерных трубопроводах с помощью линейных элементов, в которых определена только одна осредненная осевая компонента скорости. Модуль позволяет моделировать течение в трубопроводе, соединенном с баками (емкостями), не прибегая при этом к построению сетки в самих трубопроводах. В среде COMSOL® реализована функция непрерывного проецирования данных с граней на поверхности и на объемы, и наоборот, для связывания трубопроводов с дискретными двухмерными или трехмерными объектами. Таким образом, можно решать задачи вычислительной гидродинамики внутри отдельных объектов, соединенных с целой системой трубопроводов, а также подбирать рабочие параметры моделируемой системы с учетом связи между ее частями.

Моделирование всех физических процессов в среде COMSOL® осуществляется в едином стандартном графическом пользовательском интерфейсе и в рамках единой логики построения модели, поэтому инженеры, решающие гидродинамические задачи, могут легко обмениваться информацией с другими специалистами и совместно анализировать различные характеристики одной и той же модели, например, ее механические, электрические или химические параметры. Все, что для этого потребуется — это отправить файл, отключить решение для тех процессов, которые не требуют анализа, добавить один или два нужных физических интерфейса, и продолжить моделирование. Конечно, для полного мультифизического моделирования потребуется связать добавленные физические интерфейсы с тем, который описывает течение жидкости.

Пошаговый подход к решению задач вычислительной гидродинамики

Численное моделирование гидродинамических процессов в элементах оборудования зачастую осуществляется последовательно, когда окончательное точное решение получается в несколько этапов. Модуль «Вычислительная гидродинамика» содержит множество инструментов, функций, настроек и интерфейсов для успешного прохождения всех этих этапов.

Модуль «Импорт данных из САПР» (CAD Import) или один из продуктов LiveLink™ помогут описать геометрию моделируемого объекта средствами стороннего программного обеспечения САПР. Импортированную из сторонней САПР геометрию можно затем модифицировать таким образом, чтобы уменьшить количество мелких деталей и объектов, которые не оказывают влияния на течение, но усложняют построение сетки при моделировании гидродинамики.

После импортирования трехмерной геометрии из САПР с помощью модуля «Вычислительная гидродинамика», вы, возможно, не захотите сразу приступать к трехмерному моделированию. Для предварительного анализа модели COMSOL Multiphysics® позволяет создавать на основе трехмерных геометрий двумерную расчетную область, например, характерное поперечное сечение исследуемой модели. Без значительных вычислительных ресурсов, необходимых для трехмерной модели, можно:

  • Проанализировать влияние свойств жидкости на модель в целом
  • Решить, какая модель турбулентности лучше подходит для описания исследуемого процесса
  • Определить оптимальные параметры сетки для основной области течения и пограничного слоя
  • Выбрать и настроить параметры решателя
  • Проанализировать влияние физических процессов на характеристики течения
  • Оценить ожидаемую точность трехмерной модели

На основе результатов предварительного решения двумерной задачи можно получить более полное представление о свойствах моделируемых процессов и объектов, после чего перейти к выполнению полноценного трехмерного моделирования. Такой подход особенно эффективен при моделировании симметричных или осесимметричных трехмерных объектов, так как позволяет получить результаты без выполнения полного трехмерного моделирования при существенном сокращении требований к вычислительным ресурсам.

Средства гибкой настройки параметров сетки и обеспечения устойчивости алгоритма решения

Важнейшим этапом решения задач вычислительной гидродинамики зачастую является построение расчетной сетки. Параметры сетки определяются балансом между требуемым уровнем точности и располагаемыми вычислительными ресурсами. Среда COMSOL Multiphysics® предоставляет пользователю множество инструментов построения оптимальной сетки для моделирования течения жидкости. Среди них построение неструктурированных и структурированных сеток, а также построение сетки протяжкой (swept mesh), обеспечивающее гибкость при описании расчетной области с учетом ее геометрических размеров, пропорций, а также направления течения. В модуле «Вычислительная гидродинамика» также реализован алгоритм построения сетки в пограничных слоях, который позволяет использовать структурированные сетки на поверхности, например, твердых стенок, и объединять их со структурированными или неструктурированными сетками основной части расчетной области для создания общей гибридной сетки.

В модуле «Вычислительная гидродинамика» реализована большая часть линейных, нелинейных, нестационарных и параметрических решателей среды COMSOL Multiphysics®. Среди них прямые решатели для двумерных и небольших трехмерных моделей, которые хорошо сходятся, и итерационные решатели для более крупных или сложных моделей. Решатели с предобуславливанием и многосеточные решатели могут использоваться совместно с другими алгоритмами. Для обеспечения устойчивости решателя имеется возможность включить алгоритмы искусственной диффузии (вдоль и поперек потока) и методы сглаживания, параметры которых могут быть подобраны и заданы вместе с множеством других настроек решателя. Модуль «Вычислительная гидродинамика» позволяет в рамках одной и той же модели использовать конечные элементы разного порядка, причем для одной переменной (например, давления) — элементы более низкого порядка, а для других переменных — более высокого порядка.

Кроме того, структура решателя позволяет задавать более оптимальные начальные приближения. Например, сначала можно найти решение упрощенной гидродинамической задачи, например, о ламинарном течении в определенной области, а затем использовать это решение в качестве начального приближения для задачи о турбулентном течении. Результаты, полученные с помощью интерфейса «Неподвижный ротор», можно использовать в качестве начального приближения для моделирования вращающейся области, что позволит существенно сэкономить вычислительные ресурсы.

Обработка и визуализация результатов численного моделирования

Модуль «Вычислительная гидродинамика» позволяет рассчитать такие характеристики течения, как поле скорости, гидравлическое сопротивление, действующие на обтекаемый объект силы — подъемная сила и сила лобового сопротивления — поле температуры, изменение состава смеси. Также, модуль обеспечивает качественную визуализацию результатов с помощью построения поверхностных, ленточных, векторных графиков, линий тока, траекторий частиц, в том числе анимационных. Данные обо всех параметрах и переменных модельных уравнений и их дополнительных членов доступны для обработки и могут быть использованы для построения графиков. Производные величины, например, коэффициенты сопротивления и подъемной силы, также доступны для постобработки. Совместное использование с модулем «Трассировка частиц» (Particle Tracing) позволяет анализировать воздействие частиц как друг на друга за счет столкновений и собственного импульса, так и на характеристики самого течения (по Лагранжу-Эйлеру).

Numerical Simulation-Based Topology Optimization Leads to Better Cooling of Electronic Components in Toyota Hybrid Vehicles

Magnets Improve Quality of High-Power Laser Beam Welding

Simulation Enables the Next Generation of Power Transformers and Shunt Reactors

Restoration of Lake Water Environments

Sea Floor Energy Harvesting

Silent Air Cooling: A New Approach to Thermal Management

Modeling Optimizes a Piezoelectric Energy Harvester Used in Car Tires

Cluster Simulation of Refrigeration Systems

The Science of Water Screening

A Smooth Optical Surface in Minutes

The Burning Need for Modeling

Researching a New Fuel for the HFIR: Advancements at ORNL Require Multiphysics Simulation to Support Safety and Reliability

Heat Sink

Solar Panel in Periodic Flow

Capillary Filling - Phase Field Method

Airflow over an Ahmed Body

Water Purification Reactor

Syngas Combustion in a Round-Jet Burner

Separation Through Electrocoalescence

Inkjet

Displacement Ventilation

Laminar Flow in a Baffled Stirred Mixer