Модуль Вычислительная гидродинамика для моделирования течений жидкости и газа

Увеличенное изображение модели миксера, на котором показано распределение потока и поле скорости жидкости.

Увеличенное изображение поля течения и распределения скорости в модели цилиндра в канале.

Ламинарный режим течения

Моделируйте стационарное или переходное ламинарное течение, включая ползущее течение, с помощью решения уравнений Навье-Стокса.

Инструменты модуля позволяют анализировать течение жидкостей и газов как с постоянными, так и с переменными свойствами. Можно учесть зависимость вязкости и плотности среды от температуры, локального состава смеси, электрического поля, а также от любой другой полевой переменной. В общем случае, плотность, вязкость и источниковые члены уравнения сохранения импульса могут быть описаны произвольными функциями от любой зависимой переменной или её производной.

Для моделирования течения неньютоновских жидкостей можно использовать готовые реологические модели вязкости, например степенную модель, модели Карро, Бингама, Гершеля-Балкли или Кассона.

Кроме того, можно моделировать ламинарное течение в подвижных системах, например в запорной арматуре или в аппаратах с вращающейся крыльчаткой.

Турбулентный режим течения

В модуле «Вычислительная гидродинамика» представлен обширный набор моделей турбулентной вязкости на основе осреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса (RANS-модели). С их помощью можно моделировать стационарные и переходные турбулентные течения в широком диапазоне параметров. Кроме того, можно изменять или дополнять модельные уравнения непосредственно в пользовательском интерфейсе программы, например, чтобы использовать в расчёте модель турбулентности, не представленную в модуле.

RANS-модели турбулентности

Двухпараметрические модели

k-ε-модель
Реалистичная k-ε-модель
k-ω-модель
SST-модель
Низкорейнольдсовая k-ε-модель

С дополнительными уравнениями переноса

Модель Спаларта-Аллмареса
Модель v2-f

Алгебраические модели

Алгебраическая Y+
Модель L-VEL

Описание пристеночной области

Увеличенное изображение модели водоочистного резервуара, на котором показано распределение безразмерного расстояния от стенки и поле скорости.

Пристеночные функции

Устойчивые модели с ограниченной точностью, которые можно использовать на грубых сетках.

Увеличенное изображение 3D модели крылового профиля, на котором показано распределение скорости и давления.

Низкорейнольдсовое описание

Расчёт поля течения во всей пристеночной области. Высокая точность, но требуется подробная сетка.

Увеличенное изображение поля скорости в модели гидроциклона.

Автоматический выбор модели пристеночной области

Комбинация устойчивости моделей с пристеночными функциями и точности низкорейнольдсовых моделей, в зависимости от размера элементов сетки.

Метод крупных вихрей

В рамках метода крупных вихрей (LES) крупные трёхмерные нестационарные турбулентные структуры разрешаются непосредственно на сетке, а мелкомасштабные турбулентные вихри описываются с помощью приближённых подсеточных моделей. При использовании погланслойных сеточных элементов этот метод позволяет с высокой точностью рассчитать нестационарное поле течения, а также потоки и силы на границах. В модуле реализованы вариационная многомасштабная модель на основе оценки невязки (RBVM), вариационная многомасштабная модель на основе оценки невязки с вязкостью (RBVMWV) и вариационная многомасштабная версия модели Смагоринского.

Метод отсоединённых вихрей

Метод моделирования отсоединённых вихрей (DES) является комбинацией подходов RANS и LES, когда осреднённые по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса используются для описания течения в пограничном слое, а метод крупных вихрей — в остальной области течения. В DES скомбинированы модель турбулентной вязкости Спаларта-Аллмареса и LES-модели турбулентности — RBVM, RBVMWV или модель Смагоринского. Для описания пристеночной области в рамках модели Спаларта-Аллмареса используется низкорейнольдсовый подход или автоматический выбор модели пристеночной области.

Преимущество метода DES состоит в том, что для его реализации требуется намного менее плотная сетка в области пограничного слоя, чем для «чистого» LES. Это позволяет существенно уменьшить требуемый объём оперативной памяти при решении уравнений модели. Метод DES применим для моделирования трёхмерных нестационарных однофазных течений несжимаемых жидкостей и газов.

Увеличенное изображение модели печатной головки, на котором показано распределение скорости через 40 мс.

Увеличенное изображение модели турбулентного течения в миксере с перегородками.

Увеличенное изображение капли масла, всплывающей в сосуде с водой.

Увеличенное изображение модели электрокоалесценции, на котором показано электрическое поле.

Многофазные потоки и течения со свободной поверхностью

Для численного анализа раздельных течений со свободной поверхностью, а также моделирования многофазных систем, содержащих отдельные пузырьки газа или капли жидкости, используются методы расчёта межфазной границы. При решении подобных задач с помощью методов функции уровня и фазового поля можно точно определить положение границы раздела фаз с учётом поверхностного натяжения, в том числе при изменении топологии межфазной границы.

В случае, когда пузырьки, капли или частицы малы в масштабе расчётной области, а количество их велико, целесообразно перейти к использованию дисперсных моделей многофазных потоков. В рамках этих моделей рассчитываются значения массовой или объёмной доли фаз, а также учитывается влияние дисперсной фазы на перенос импульса в осреднённом потоке. В модуле представлены следующие модели: пузырькового течения, многофазной смеси, Эйлера-Эйлера и переноса фазы в многофазной смеси.

Гидродинамика пористых сред

В модуле «Вычислительная гидродинамика» представлено три варианта математического описания гидродинамических процессов в пористых средах, что существенно упрощает процедуру построения расчётных моделей. Модель, основанная на законе Дарси, является надежным инструментом моделирования течений в пористых структурах, применение которого не требует больших вычислительных ресурсов. Эта модель применима как к однофазным, так и к многофазным потокам. Уравнения Бринкмана представляют собой более общую форму закона Дарси. Эта модель более требовательна к вычислительным ресурсам, но при этом она позволяет учесть инерционные эффекты и диссипацию кинетической энергии в результате вязкого трения. Как правило, уравнения Бринкмана используются для описания процессов в структурах с высокой пористостью.

Для сквозного моделирования течения в области пористой среды и в свободном объёме при ламинарном и турбулентном режимах течения можно использовать комбинированную модель Free and Porous Media Flow. В рамках этой модели для описания течения в пористой области используются уравнения Бринкмана, а для течения в свободном объёме — уравнения Навье-Стокса. Турбулентный режим течения в пористой среде можно смоделировать с помощью любой из k-ε- или k-ω-моделей турбулентности с дополнительными членами, которые описываются соотношениями Педраса-де-Лемоса, Накаямы-Кувахары или их комбинацией.

Более подробные сведения о специальных инструментах моделирования гидродинамики пористых сред представлены на страницах описания модулей «Течения в пористых средах» и «Течения в грунтах».

В модели пористой среды показано распределение объёмной доли фазы с помощью цветовой палитры Jupiter Aurora Borealis, а также распределение фазы в низкопроницаемом слое с помощью красной изоповерхности.

В модели сверхзвукового эжектора поле скорости показано с помощью цветовой палитры Aurora Australis.

Течение при высоких числах Маха

Моделируйте околозвуковое и сверхзвуковое течение сжимаемых сред при ламинарном и турбулентном режимах. Модель ламинарного течения обычно применима для описания систем низкого давления. В неё включены уравнения сохранения импульса, массы и энергии идеальных газов. Для турбулентного режима течения при высоких числах Маха доступны две модели турбулентной вязкости — k-ε-модель и модель Спаларта-Аллмареса.

В обоих случаях в процессе решения этих моделей можно использовать алгоритм адаптивного построения расчётной сетки. Алгоритм сгущает сетку в областях с очень высокими градиентами скорости и давления и таким образом позволяет определить положение скачков уплотнения.

Течение в ротационных аппаратах

Ротационные аппараты, например миксеры и турбонасосы, имеют широкое промышленное применение. В модуле «Вычислительная гидродинамика» представлены интерфейсы, в которых для моделирования ротационных аппаратов используются уравнения гидродинамики, сформулированные во вращающихся системах координат. Доступны модели как ламинарных, так и турбулентных течений. С помощью этих интерфейсов можно решать задачи либо в полностью нестационарной постановке, либо в приближении «замороженного» ротора. Метод «замороженного» ротора позволяет оценить средние скорости, изменение давления, степень перемешивания, средние температуры, концентрации и другие параметры без привлечения значительных вычислительных ресурсов.

В целом, с помощью инструментов модуля можно решать гидродинамические задачи в любых подвижных системах координат, а не только во вращающихся. Например, можно моделировать режимы открытия и закрытия клапанов и задвижек. Подвижные системы координат можно использовать для моделирования процессов в системах, в которых одна конструкция скользит вдоль другой, а в зазоре между ними движется жидкость. Такие задачи легко настраиваются и решаются с помощью подвижных сеток.

В модели центробежного насоса линии тока показаны с помощью цветовой палитры Rainbow, а распределение давления по сечению — с помощью палитры Jupiter Aurora Borealis.

В модели самоустанавливающегося подшипника скольжения показано распределение давления с помощью цветовой палитры Cividis и поле течения с помощью векторов серого цвета.

Тонкие жидкие плёнки

Для описания течений в тонких областях, например в тонких масляных плёнках между подвижными деталями механизмов (задачи трибологии), в модуль «Вычислительная гидродинамика» включены интерфейсы Thin Film Flow. Реализованные в них математические формулировки обычно используются для моделирования смазки, решения задач эластогидродинамики или учёта вязких потерь в слое между подвижными деталями, например в моделях МЭМС-устройств.

Уравнения мелкой воды

Уравнения мелкой воды позволяют моделировать движение жидкости со свободной поверхностью в случае, когда глубина слоя жидкости намного меньше характерного масштаба в продольном направлении. Уравнения мелкой воды, которые получаются в результате осреднения уравнений Навье-Стокса по глубине, в качестве зависимых переменных содержат толщину слоя и плотность потока импульса жидкости. Эти уравнения можно использовать для моделирования таких явлений как, например, цунами или наводнение.

Увеличенное изображение поверхности воды в модели набега волн цунами.

Увеличенное изображение модели воздействия волны на колонну.

Мультифизические модели явлений реального мира

Моделирование нескольких физических явлений в COMSOL Multiphysics^® не сложнее решения простой задачи.

Увеличенное изображение модели радиатора, на котором показано распределение потока воздуха и температуры.

Неизотермическое ламинарное течение

Учёт сил плавучести и зависимости свойств жидкости от температуры; условия непрерывности температуры и теплового потока на границе «твёрдое тело — жидкость».

Увеличенное изображение столба дыма от тлеющей ароматической палочки в три различных момента времени.

Неизотермическое турбулентное течение

Низкорейнольдсовое описание или тепловые пристеночные функции для расчёта сопряженного теплообмена на границе «твёрдое тело — жидкость» на основе RANS и LES моделей.

Увеличенное изображение модели солнечной панели, на котором показаны поля скорости и деформации.

FSI: односторонняя связь

Взаимодействие твёрдых деформируемых тел и потока жидкости с учётом силового воздействия со стороны жидкости при условии пренебрежимо малых деформаций, не оказывающих влияния на структуру течения.

Увеличенное изображение модели взаимодействия потока воды и твёрдой конструкции в контейнере.

FSI: двусторонняя связь¹

Взаимодействие твёрдых деформируемых тел и потока жидкости с учётом силового воздействия со стороны жидкости и влияния больших деформаций на структуру течения.

Увеличенное изображение ёмкости в модели ферментации пива.

Химически-реагирующие потоки

Моделирование переноса массы компонентов смеси и химических реакций в слабых и концентрированных смесях на основе закона Фика или осреднённой модели диффузии.

Увеличенное изображение модели многоструйного реактора, на котором показаны изоповерхности концентрации.

Расширенные модели реагирующих потоков²

Полная система уравнений диффузии Стефана-Максвелла для ламинарных потоков.

Увеличенное изображение модели сопла с контурным графиком.

Высокоскоростные реагирующие потоки²

Модели высокоскоростных течений концентрированных или слабых смесей при высоких числах Маха с учётом массопереноса и химических реакций.

Увеличенное изображение поля течения в модели миксера.

Миксеры³

Многофазные потоки и течения со свободной поверхностью в ротационных аппаратах; библиотека деталей, содержащая геометрические модели импеллеров и сосудов.

Увеличенное изображение модели колена трубопровода, на котором показано распределение скорости частиц.

Трассировка частиц⁴

Модель многофазной среды Эйлера-Лагранжа, в рамках которой твёрдые частицы или жидкие капли описываются как дискретные объекты.

Увеличенное изображение модели теплообменного аппарата, на котором показано распределение давления в коллекторах и скорости в трубах.

Течение в трубопроводах и CFD⁵

Модели неизотермического течения в трубах и каналах, соединённых с 2D/3D жидкими доменами, при ламинарном и турбулентном режимах.

Требуется модуль «Механика конструкций», или «MEMS», или «Динамика многотельных систем»
Требуется модуль «Химические реакции», или «Электрохимические аккумуляторы», или «Топливные ячейки и электролизёры»
Требуется модуль «Миксер»
Требуется модуль «Трассировка частиц»
Требуется модуль «Течения в трубопроводах»

Общие функции, адаптированные для решения задач CFD

Для моделирования гидродинамических процессов в модуле «Вычислительная гидродинамика» представлены специальные функции, которые бесшовно интегрируются с инструментами платформы COMSOL Multiphysics^® и обеспечивают унифицированный рабочий процесс построения расчётных моделей.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Fluid-Structure Interaction и модели биметаллической пластины в графическом окне.

Гидродинамические интерфейсы

В модуле «Вычислительная гидродинамика» содержится множество гидродинамических интерфейсов, специально разработанных для моделирования различных режимов течений: ламинарных и турбулентных, однофазных и многофазных, сжимаемых и несжимаемых, при низких и высоких числах Маха, в тонких пленках и на мелководье. Каждый гидродинамический интерфейс представляет собой совокупность систем уравнений, граничных и начальных условий, настроек расчётной сетки и решателей для стационарного и динамического анализа, а также набор предварительно настроенных графиков и выходных данных.

Увеличенное изображение окна настройки узла Mixture Property и модели блока цилиндров в графическом окне.

Материалы

В состав модуля «Вычислительная гидродинамика» включён справочник свойств наиболее распространённых газов и жидкостей. Подключение дополнительного модуля «Химические реакции» или «Термодинамика жидкостей и газов» позволит рассчитывать термодинамические свойства и свойства переноса газов и жидкостей (например коэффициент вязкости, плотность, коэффициенты диффузии и теплопроводности, теплоты образования и фазовых переходов) на основе самых общих термодинамических соотношений.

Увеличенное изображение окна настройки интерфейса High Mach Number Flow Laminar и модели эйлерова скачка уплотнения в графическом окне.

Дискретизация

В гидродинамических интерфейсах для дискретизации дифференциальных уравнений двумерной, двумерной осесимметричной и трёхмерной расчётной модели используются методы Галёркина/наименьших квадратов и Петрова-Галёркина. Базисные функции подобраны так, чтобы стабилизировать в уравнениях переноса гиперболические члены и члены, содержащие давление. Методы расчёта с учётом разрывов параметров сокращают паразитные осцилляции решения. Кроме того, для обеспечения сохранения импульса, массы и энергии на внутренних и внешних границах применяются разрывные методы Галёркина.

Увеличенное изображение одномерного графика и модели футбольного мяча в графическом окне.

Обработка и визуализация результатов

При использовании гидродинамических интерфейсов автоматически создаётся ряд стандартных графиков для анализа полей скорости и давления. Для визуализации течения можно построить линии тока. Поверхностные и объёмные графики позволяют отобразить скалярные поля, например давление и модуль скорости. Также имеется обширный список производных значений и переменных (например, коэффициент сопротивления), которые можно легко вывести на график или в таблицу.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Geometry и модели тела Ахмеда в графическом окне.

Геометрия

Создавайте домены для области течения на основе геометрических моделей, импортированных из CAD. Используйте специальные инструменты для автоматического или ручного удаления не влияющих на структуру течения геометрических элементов. Импортируйте, исправляйте и упрощайте геометрические модели самых популярных CAD-форматов с помощью модуля «CAD-импорт и CAD-операции». Создавайте комплексные геометрические модели, используя встроенные геометрические операции.

Увеличенное изображение окна Mesh Statistics и модели спортивного автомобиля в графическом окне.

Генерация сетки

В автоматическом режиме построения расчётной сетки, учитываются граничные условия, заданные в настройках гидродинамических интерфейсов. На твёрдых стенках автоматически создаются призматические элементы, необходимые для расчёта градиентов скорости в области пограничного слоя.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Multigrid и модель гидроциклона в графическом окне.

Решатели

Уравнения гидродинамики обычно сильно нелинейны. Для решения уравнений расчётной модели используется автоматически настраиваемый метод Ньютона с подходящим алгоритмом релаксации. При решении крупномасштабных задач для ускорения сходимости линейных итераций метода Ньютона применяются новейшие алгебраические или геометрические многосеточные методы, специально разработанные для решения уравнений переноса.

Для максимально точного расчёта полей скорости и давления в нестационарных задачах в комбинации с нелинейными решателями используются методы дискретизации по времени с автоматическим выбором временного шага и определением порядка полиномов.

Увеличенное изображение полей ввода данных в приложении для моделирования и модель водоочистного резервуара в графическом окне.

Приложения для моделирования

С помощью cреды разработки приложений, входящей в состав COMSOL Multiphysics^®, можно создавать пользовательские интерфейсы для любых расчётных моделей. Этот инструмент позволяет создавать специализированные приложения с возможностью контроля входных данных и результатов расчёта. Приложения можно использовать в самых разных целях: для автоматизации сложных и повторяющихся действий, создания и обновления отчетов, создания удобных интерфейсов для пользователей, повышения доступности моделей в организации, повышения конкурентоспособности.