Семейство продуктов COMSOL®

Моделирование течений жидкостей и газов с помощью модуля Вычислительная гидродинамика

Модуль Вычислительная гидродинамика для моделирования однофазных и многофазных потоков

Используйте модуль Вычислительная гидродинамика, расширяющий возможности среды численного моделирования COMSOL Multiphysics®, для численного анализа систем, в которых гидродинамические процессы сопровождаются другими физическими явлениями.

Модуль Вычислительная гидродинамика содержит инструменты для создания ключевых моделей течений, описывающих:

  • Несжимаемые и сжимаемые среды
  • Ламинарные и турбулентные течения
  • Однофазные и многофазные потоки
  • Течения в свободной и пористой среде, а также в открытых областях
  • Течения в тонких пленках

Эти возможности реализованы в структурированных гидродинамических интерфейсах, предназначенных для постановки, решения и анализа стационарных и нестационарных задач в двумерных, двумерных осесимметричных и трехмерных областях. Кроме того, в модуле Вычислительная гидродинамика имеются специальные инструменты для решения задач о течении неньютоновских жидкостей, течении во вращающемся оборудовании и течении при высоких числах Маха.

Возможность описать в модели сразу несколько физических явлений крайне полезна при анализе гидродинамических процессов. С помощью модуля Вычислительная гидродинамика можно строить модели сопряженной теплопередачи и химически-реагирующих потоков в той же программной среде, в которой вы решаете гидродинамические задачи. Дополнительные мультифизические возможности, например, расчет взаимодействия потоков с механическими конструкциями, доступны при использовании модуля Вычислительная гидродинамика совместно с другими модулями в составе среды численного моделирования COMSOL®.

Did You Know? Физический интерфейс — это элемент графического интерфейса программы, реализующий математическую модель конкретного физического явления. В интерфейсе определены уравнения и заданы настройки расчетной сетки, решателей и визуализации результатов.

Область применения модуля Вычислительная гидродинамика

Дополнив базовый функционал COMSOL Multiphysics® модулем Вычислительная гидродинамика, вы получите доступ к специальным возможностям COMSOL Multiphysics® для решения задач вычислительной гидродинамики. Все перечисленные ниже инструменты реализованы в соответствующих физических интерфейсах. При постановке и решении задач этого типа жидкость по умолчанию рассматривается как несжимаемая среда, но при необходимости вы можете изменить настройки и использовать модели слабосжимаемой или сжимаемой жидкости.

Ламинарное и ползучее течения

Интерфейсы Laminar Flow (Ламинарное течение) и Creeping Flow (Ползучее течение) позволяют моделировать стационарные и нестационарные течения при относительно низких числах Рейнольдса. Вязкость среды может зависеть от локального состава и температуры, а также от любой другой полевой переменной, рассчитываемой вместе с полем течения. Для неньютоновских жидкостей можно использовать готовые реологические модели вязкости, например Power Law (Степенная) и Carreau (Карро), которые легко настраиваются.

Как правило, источниками плотности, вязкости и импульса могут быть произвольные функции температуры, состава, градиента скорости и любых других зависимых переменных, а также их производных. Благодаря этим параметрам можно описывать собственные модели вязкоупругого течения.

Модель раствора полистирола, впрыскиваемого через сопло. Результаты расчета течения впрыскиваемого через сопло линейного раствора полистирола, вязкость которого зависит от градиента скорости. Моделирование выполнено с помощью модели неньютоновской жидкости Карро.

Турбулентный режим течения

В модуле Вычислительная гидродинамика представлен богатый набор RANS-моделей турбулентности (модели, основанные на осредненных по Рейнольдсу уравнениях Навье-Стокса), реализованных в соответствующих гидродинамических интерфейсах. Пользователю доступны следующие модели турбулентных стационарных и нестационарных течений:

Двухпараметрические модели

  • k-ε-модель
    Стандартная k-ε- модель с условиями реалистичности
  • Реалистичная k-ε-модель
    Модель k-ε с измененными коэффициентами для выполнения условий реалистичности
  • k-ω-модель
    Улучшенная модель k-ω Уилкокса (1998) с условиями реалистичности
  • SST-модель
    Сочетание k-ε-модели в свободном потоке и k-ω-модели вблизи стенок
  • Низкорейнольдсовая k-ε-модель
    AKN k-ε-модель с возможностью расчета течения вблизи стенок

Дополнительные модели на основе уравнений переноса

  • Модель Спаларта-Аллрамаса
    Однопараметрическсая модель с поправкой на вращение, разработанная для решения задач аэродинамики
  • Модель v2-f
    Расширенная версия k-ε-модели, которая учитывает анизотропию турбулентности за счет определения колебаний скорости по нормали к стенке

Алгебраические модели турбулентности

  • Алгебраическая модель Y+
    • Для расчета турбулентной вязкости сначала по локальному числу Рейнольдса определяется безразмерное расстояние до стенки
    • Устойчивая и экономичная в вычислительном плане модель, но значительно уступает в точности другим, более сложным моделям
  • Модель L-VEL
    • Для расчета турбулентной вязкости используется продольная скорость, обезразмеренная с помощью локального числа Рейнольдса
    • Устойчивая и экономичная в вычислительном плане модель, но значительно уступает в точности другим, более сложным моделям

Описание пристеночной области

Интерфейсы турбулентных течений можно комбинировать с различными способами описания пристеночной области:

  • Пристеночные функции
    • Устойчивы и могут использоваться на грубых сетках
    • Ограниченная точность
    • Гладкие и шероховатые стенки
    • Используются в стандартной и реалистичной k-ε-моделях и модели k-ω
  • Низкорейнольдсовое описание
    • Расчет поля течения во всей пристеночной области
    • Точная модель
    • Требует подробной сетки
    • Поддерживается всеми моделями турбулентности, кроме стандартной и реалистичной k-ε-моделей
  • Автоматический выбор модели пристеночной области
    • Выбор между низкорейнольдсовым описанием и пристеночными функциями
    • Точное моделирование в соответствии с локальным разрешением сетки
    • Устойчивость, сопоставимая с характерной для пристеночных функций
    • Используется по умолчанию для всех моделей турбулентности, кроме стандартной и реалистичной k-ε-моделей

Пользовательские модели турбулентности

Для создания моделей турбулентности, которые еще не включены в программный пакет, можно изменить модельные уравнения непосредственно в графическом интерфейсе пользователя.

Модель турбулентного течения в колене трубы. Функция автоматического выбора описания пристеночной области позволяет использовать низкорейнольдсовый подход в областях с хорошим разрешением сетки (выделено синим цветом) и пристеночные функции (выделено красным цветом) там, где не требуется высокое разрешение (прямые отрезки).

Течение в тонких пленках

Интерфейс Thin Film Flow, Shell (Течение в тонких пленках, Слой) модуля Вычислительная гидродинамика предназначен для описания потоков в тонких слоях, например в тонких масляных пленках между движущимися поверхностями или в конструкциях с трещинами. Этот интерфейс используется, в основном, для моделирования смазки, упругогидродинамических пленок или явлений жидкостной амортизации за счет наличия вязкой среды в подвижных системах (например, в микроэлектромеханических системах).

В интерфейсе Thin Film Flow, Shell (Течение в тонких пленках, Слой) реализованы осредненные по толщине слоя уравнения Рейнольдса для потока в узких областях и уравнения сохранения массы и импульса, таким образом, в этих тонких объектах не нужно строить сетку. Данный подход позволяет избежать сложностей, связанных с построением сетки в узком зазоре, и, как следствие, сократить время вычислений.

Пример моделирования течения в тонкой пленке в упорном сегментном подшипнике. Давление и поле скорости в тонкой жидкой пленке в упорном сегментном подшипнике. Показанная деформация твердой конструкции под влиянием потока и давления увеличена примерно в 4000 раз.

Многофазные течения

Для моделирования многофазных систем можно использовать методы расчета межфазной поверхности, которые позволяют описать поведение пузырей, капель и свободных поверхностей. С помощью этих методов можно рассчитать форму границы раздела фаз с учетом эффектов поверхностного натяжения.

Если пузыри, капли или частицы имеют малые по сравнению с характерным масштабом расчетной области размеры, а число их велико, то в этом случае можно использовать дисперсные модели многофазного потоков. В моделях этого типа рассчитывается массовая доля каждой из фаз с учетом влияния дисперсной фазы на осредненное поле течения.

Для решения стационарных и нестационарных задач доступны следующие модели расчета межфазной поверхности и дисперсные модели многофазных потоков:

Модели разделенного многофазного потока

  • Метод функции уровня
    • Используется для ламинарного и турбулентного режимов течения
    • Адаптивное измельчение сетки для расчета границы раздела фаз
    • Расчет свободной поверхности однофазной жидкости, соприкасающейся с газом
  • Метод фазового поля
    • Используется для ламинарного и турбулентного режимов течения
    • Для ламинарного режима доступна модель трехфазного потока
    • Адаптивное измельчение сетки для расчета границы раздела фаз
    • Расчет свободной поверхности однофазной жидкости, соприкасающейся с газом

Модели дисперсного многофазного потока

  • Модель пузырькового течения
    • Используется как для ламинарного, так и для турбулентного режимов течения
    • Используется для относительно небольшой объемной доли (< 0,1) пузырьков газа в жидкостях
    • Предполагается, что пузырьки не ускоряются относительно сплошной жидкой фазы (равновесное описание)
    • Устойчивая и экономичная в вычислительном плане модель
  • Модель многофазной смеси
    • Аналогична модели пузырькового течения, но более универсальная
    • Хорошо описывает движение пузырьков в жидкости, эмульсий из несмешиваемых жидкостей, аэрозолей и взвешенных твердых частиц в жидкости при условии, что ускорением дисперсной фазы относительно сплошной фазы можно пренебречь (равновесное приближение)
    • Требует чуть больше вычислительных ресурсов, чем модель пузырькового течения
  • Модель Эйлера-Эйлера
    • Используется для ламинарных и турбулентных режимов течения
    • Наиболее универсальная дисперсная модель многофазного потока
    • Может использоваться для моделирования течения пузырьков, эмульсий, жидких взвесей, аэрозолей и твердых взвешенных частиц в газе
    • Обычно применяется для решения задач о промывке газа жидкостями и для моделирования кипящего слоя
    • Наиболее требовательная к вычислительным ресурсам модель
Пример моделирования трехфазной системы с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics и модуля Вычислительная гидродинамика.

Модель трехфазной системы, построенная с помощью интерфейса Three-Phase Flow, Phase Field (Трехфазная система, метод фазового поля).

Течения в пористых средах

Использование модуля Вычислительная гидродинамика упрощает расчет течений в пористых средах благодаря наличию трех разных математических моделей гидродинамики пористых сред.

Модели течений в пористых средах

  • Закон Дарси
    • Устойчивая и экономичная в вычислительном плане модель течения в пористых средах
    • Применима к двухфазным средам
  • Уравнения Бринкмана
    • Дополнение к закону Дарси, учитывающее диссипацию кинетической энергии за счет трения
    • Подходит для открытых конструкций с высокой пористостью
    • Более обобщенный интерфейс по сравнению с интерфейсом Darcy's Law (Закон Дарси), из-за чего требуется больше вычислительных ресурсов
  • Свободный поток и течение в пористых средах
    • Сквозное описание течения при ламинарном и турбулентном режимах в свободном объеме и в пористых средах
    • Решение уравнений Бринкмана для пористой среды и уравнений ламинарного или турбулентного течения для потока в свободном объеме

Течения при больших числах Маха

Можно моделировать околозвуковое и сверхзвуковое течение сжимаемых сред как в ламинарном, так и в турбулентном режимах. Модель ламинарного течения, как правило, используется для систем низкого давления и автоматически задает уравнения сохранения импульса, массы и энергии идеального газа. Для потоков с высоким числом Маха можно использовать модели турбулентности k-ε и Спаларта — Аллмараса.

В программном пакете COMSOL® автоматически формулируется уравнение сохранения энергии, связанное с уравнениями сохранения импульса и массы для идеального газа. В обоих случаях при построении сетки в таких моделях адаптивная генерация сетки позволяет определить картину скачков уплотнения, уплотняя сетку в областях с очень высокими градиентами скорости и давления.

Пример моделирования течения при высоких числах Маха с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics и модуля Вычислительная гидродинамика. Скачки уплотнения в сверхзвуковом потоке из эжектора, рассчитанные с помощью интерфейса для турбулентных течений при высоких числах Маха.

Течение во вращающемся оборудовании

Работа вращающегося оборудования, например мешалок или насосов, часто сопряжена с гидродинамическими процессами. В модуле Вычислительная гидродинамика доступны интерфейсы, в которых реализованы уравнения гидродинамики во вращающихся системах отсчета. Эти интерфейсы могут использоваться для расчета однофазного течения при ламинарном или турбулентном режимах. Ставить и решать задачи можно с помощью полного нестационарного описания вращающейся системы или с помощью усредненного подхода на основе аппроксимации с «замороженным» ротором. Второй подход требует меньше вычислительных ресурсов и может использоваться для расчета усредненных скоростей, изменения давления, уровней смешивания, усредненной температуры, распределения концентраций и других величин.

По большому счету, с помощью модуля Вычислительная гидродинамика можно решать гидродинамические задачи в любой движущейся системе отсчета, не обязательно вращающейся. Движущиеся системы отсчета можно использовать для решения задачи, в которой, например, одна конструкция скользит относительно другой, а между ними движется среда. Такую задачу легко задать и решить с использованием подвижной сетки.

Пример моделирования течения жидкости во вращающемся оборудовании с помощью среды численного моделирования COMSOL. Поля скорости и давления в центробежном насосе, рассчитанные с помощью модели турбулентности во вращающемся оборудовании.

Мультифизическое моделирование явлений реального мира

Во многих случаях расчет гидродинамики можно связать с моделированием других явлений, например теплопередачи, механики конструкций, химических реакций или электромагнитных полей в электрокинетическом потоке и магнитогидродинамических задачах. Моделирование нескольких разных явлений в COMSOL Multiphysics® ничем не отличается от задачи, относящейся к одной области физики, поскольку модуль Вычислительная гидродинамика содержит готовые мультифизические интерфейсы для самых распространенных взаимосвязанных процессов.

В модуль Вычислительная гидродинамика включены специальные физические интерфейсы для моделирования сопряженной теплопередачи в жидкости и твердых телах. Уравнения для поля течения задаются и решаются в области, занятой жидкостью или газом, а уравнение энергии — сквозным счетом во всей расчетной области.

Для ламинарного режима и низкорейнольдсовых моделей турбулентности используется условие непрерывности температуры на границе раздела твердое тело-жидкость (это стандартная настройка в интерфейсах неизотермического потока). Для моделирования турбулентной сопряженной теплопередачи на основе моделей турбулентности с пристеночными функциями Nonisothermal Flow (Неизотермический поток) пристеночные функции для температуры задаются автоматически.

Благодаря использованию низкорейнольдсовых моделей и моделей с пристеночными функциями поставить и решить задачу о сопряженном теплообмене при турбулентном течении жидкости становится намного проще.

 

При совместном использовании с модулем Механика конструкций задачи о взаимодействии потока и твердотельной конструкции можно решать при ламинарном и турбулентном режимах течения. В модуле Вычислительная гидродинамика доступны две опции для работы с такими задачами:

  1. Односторонее взаимодействие потока и конструкции — поток создает нагрузку на конструкцию, но деформация настолько мала, что ее влиянием на структуру течения можно пренебречь.
  2. Двустороннее взаимодействие потока и конструкции — поток создает нагрузку на конструкцию, но деформация велика, и под ее влиянием изменяется форма области течения.

В случае двустороннего взаимодействия в области течения создается подвижная сетка. Смещения на границах между текучей средой и твердой конструкцией определяются равновесием гидродинамических сил, действующих со стороны потока, и сил реакции, действующих со стороны деформирующейся твердой конструкции. Стационарные и нестационарные исследования доступны как для одностороннего, так и для двустороннего взаимодействия потока и конструкции при ламинарном и турбулентном режимах.

 

С помощью модуля Вычислительная гидродинамика можно моделировать системы, в которых происходят химические реакции как при ламинарных, так и при турбулентных режимах течения реагентов. Таким образом, можно проектировать и анализировать процессы в реакторах, мешалках и любых других системах с химически-реагирующими потоками. С помощью специализированных интерфейсов можно описать перенос массы вещества в слабых и концентрированных многокомпонентных растворах и смесях. Для описания массопереноса в концентрированных растворах доступна модель усредненной смеси.

При использовании модуля в совокупности с модулем Химические реакции доступны полные уравнения массопереноса Максвелла-Стефана. Для турбулентных режимов течения реагентов используется модель вихревой диффузии, которая описывает турбулентные флуктуации в слабых и концентрированных растворах. В модели массопереноса в концентрированных смесях также автоматически учитывается слагаемое Стефана, например, на границах расчетной области, где происходят химические реакции.

Пример моделирования химически-реагирующего потока в среде COMSOL.

Изоповерхности концентрации реагента в реакторе с системой многоструйного впрыскивания рассчитаны с помощью интерфейса Turbulent Reacting Flow (Турбулентный реагирующий поток).

Использование модуля Миксер совместно с модулем Вычислительная гидродинамика расширяет возможности моделирования и позволяет рассчитывать многофазные потоки и свободные поверхности во вращающемся оборудовании. Кроме того, в Библиотеке деталей для упрощения построения геометрических моделей представлены импеллеры и сосуды. Оба этих элемента отлично подходят для моделирования технологических процессов в фармацевтической и пищевой промышленности.

Пример моделирования мешалок в программном пакете COMSOL. Результаты моделирования мешалки с тремя импеллерами, показывающие структуру течения и форму свободной поверхности.

В интерфейсах многофазных дисперсных сред модуля Вычислительная гидродинамика используются уравнения для полевой переменной, задающей объемную долю фазы. Если использовать модуль Вычислительная гидродинамика совместно с модулем Трассировка частиц, можно строить модели многофазных потоков Эйлера-Лагранжа, в которых частицы или капли описываются как жесткие частицы. Если последние моделируются отдельно, взаимодействие между движущейся средой и частицами носит двунаправленный характер, поскольку частицы влияют на структуру течения среды. Кроме того, если анализируется относительно небольшое количество частиц, модели Эйлера-Лагранжа потребляют небольшое количество вычислительных ресурсов.

 

В модуле Течение в трубопроводах для моделирования трубопроводных систем реализованы одномерные осредненные уравнения гидродинамики. Если использовать этот модуль в сочетании с модулем Вычислительная гидродинамика, можно создавать высокоточные модели, содержащие соединения одномерных труб и каналов с двумерными или трехмерными областями, в которых реализуются потоки несжимаемых, слабо сжимаемых жидкостей, а также неизотермические или химически-реагирующие потоки.

Общие функции, адаптированные для решения задач вычислительной гидродинамики

Рабочий процесс построения моделей в COMSOL Multiphysics® одинаков для всех модулей. Модуль Вычислительная гидродинамика предоставляет специальные функции для повышения производительности и точности вычислительной гидродинамики. Вот несколько специализированных функций этого модуля:

Геометрия

Вокруг импортированной из CAD геометрической модели можно создавать области течения. Можно автоматически или вручную убрать из геометрической модели элементы, не влияющие на структуру течения.

Материалы

В модуле Вычислительная гидродинамика имеется Библиотека материалов, содержащая самые распространенные газы и жидкости. В сочетании с модулем Химические реакции вы получаете доступ к общему описанию физических свойств газов (вязкость, плотность, коэффициент диффузии и теплопроводность).

Сетка

При автоматическом построении сетки учитываются заданные граничные условия для решения гидродинамической задачи с требуемой точностью. Погранслойные элементы сетки строятся автоматически. Этот тип элементов необходим для расчета градиентов скорости, которые, обычно, возникают вблизи твердых стенок.

Дискретизация

В гидродинамических интерфейсах для дискретизации уравнений и построения расчетной двумерной, двумерной осесимметричной или трехмерной пространственных моделей используется метод наименьших квадратов Галеркина. Тестовые функции подобраны так, чтобы стабилизировать в уравнениях переноса гиперболические члены и члены, содержащие давление. Методы расчета с учетом разрывов параметров сокращают паразитные осцилляции решения. Кроме того, для обеспечения сохранения импульса, массы и энергии на внутренних и внешних границах используются разрывные методы Галеркина.

Решатели

Уравнения гидродинамики обычно сильно нелинейны. Для их решения система автоматически подбирает подходящий демпфированный метод Ньютона. Для масштабных задач линейные итерации в рамках метода Ньютона ускоряются с помощью новейших алгебраических или геометрических многосеточных методов, специально разработанных для решения уравнений переноса.

В нестационарных задачах для наиболее точного вычисления полей скорости и давления в сочетании с вышеперечисленными нелинейными решателями используются методы дискретизации по времени с автоматическим выбором шага и определением порядка полиномов.

Обработка результатов

При использовании гидродинамических интерфейсов создаются ряд стандартных графиков для анализа полей скорости и давления. Доступен также обширный список производных значений и переменных, к которым можно быстро получить доступ и вывести результаты анализа.

Пример сетки для решения гидродинамической задачи. Верификационная модель аэродинамики тела Ахмеда. Погранслойные элементы сетки у твердых поверхностей выделены синим цветом.
Модель капли из сопла для распыления краски, в которой применяется адаптивная генерация сетки. Адаптивная генерация сетки во времени. Граница раздела фаз вокруг капли из сопла для распыления краски (серая изоповерхность) и вдоль рассчитанной траектории движения капли рассчитана на более плотной сетке, что позволяет различить границу раздела фаз между каплей и воздухом.

Приложения для более эффективного решения задач вычислительной гидродинамики

С помощью Среды разработки приложений, входящей в состав программного пакета COMSOL Multiphysics®, можно создавать пользовательские интерфейсы для любых расчетных моделей. Этот инструмент позволяет создавать специализированные приложения, предоставляя возможность ограничивать набор входных данных и управлять выводом результатов расчета. Приложения можно использовать в самых разных целях:

  • Для автоматизации сложных и повторяющихся действий, которые можно записать в виде последовательности операций, выполненных в графическом интерфейсе, и скомпоновать в одну команду
  • Для создания и обновления отчетов на основе большого числа параметризованных моделей и специальных процедур, обеспечивающих наилучшие воспроизводимость и качество
  • Для создания удобных интерфейсов к конкретным моделям, которые помогут специалистам, не имеющим опыта численного моделирования
  • Для повышения доступности моделей в организации и максимального увеличения доходности вложений в разработку
  • Для повышения конкурентоспособности путем предложения специально адаптированной продукции, основанной на высокоточных моделях, встроенных в удобные приложения, которые вы предоставляете клиентам
Образец приложения для моделирования конструкций водоочистного резервуара. В приложении Water Treatment Basin (Водоочистной резервуар) показано, как использовать параметризованную геометрическую последовательность; геометрическая выборка для автоматического выбора границ и установки граничных условий; создание графических интерфейсов пользователя для специализированных приложений.

Следующий шаг:
Договоритесь о демонстрации
программного пакета

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию. Чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших задач, свяжитесь с нами. Обсудив это с одним из наших торговых представителей или менеджером по продажам, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с представителем COMSOL", укажите свою контактную информацию, замечания или вопросы и отправьте нам. В течение одного рабочего дня с вами свяжется наш торговый представитель или менеджер.