Обзор версии COMSOL Multiphysics 5.2

Новый интерфейс Three-Phase Flow, Phase Field (Трехфазный поток, фазовое поле) подходит для моделирования потоков и взаимодействий трех различных несмешиваемых жидкостей в случае, если вам нужно исследовать точные положения поверхностей разделения жидкостей. Другое название этого явления — разделенный поток с отслеживанием поверхности. Для отслеживания поверхностей раздела текучих сред используется формула фазового поля тройной системы, в которой учитываются различия в плотности и вязкости жидкостей, а также влияние поверхностного натяжения. Метод фазового поля позволяет исследовать движущиеся линии контакта на границах без смещения.

На примере справа пузырек газа (серая поверхность представляет границу газа и жидкости) поднимается в слое тяжелой жидкости в более легкую (синяя поверхность представляет границу двух жидкостей). Пузырек газа увлекает за собой часть тяжелой жидкости, перенося ее в область с более легкой жидкостью, где она приобретает отрицательную плавучесть и опускается к поверхности разделения жидкостей. График скалярного поля величины скорости (радужный график скалярного поля) над центральной частью поперечного сечения проецируется на заднюю стенку контейнера, чтобы нагляднее представить взаимодействие жидкостей, а также жидкости и газа.

Предварительно определенная мультифизическая связь Three-Phase Flow (Трехфазный поток) объединяет интерфейс Laminar Flow (Ламинарный поток) с интерфейсом Ternary Phase-Field (Фазовое поле тройной системы). Перемещение границ между областями текучей среды определяется путем минимизации свободной энергии.

Доступны библиотеки коэффициентов поверхностного натяжения для поверхностей жидкость-жидкость и жидкость-газ. Функция Wetted Wall (Смоченная стенка) позволяет задать углы контакта для пар текучих сред на твердых поверхностях.

Поток между газом и двумя жидкостями, моделируемый с помощью интерфейса Laminar Three-Phase Flow, Phase Field (Ламинарный трехфазный поток, фазовое поле).

Посмотреть дополнительные скриншоты »

Посмотреть дополнительные скриншоты »

В интерфейсах Rotating Machinery (Вращающееся оборудование) доступны две модели турбулентных потоков: Turbulent Flow, Algebraic yPlus (Турбулентный поток, алгебраическая модель Y+) и Turbulent Flow, L-VEL (Турбулентный поток, L-VEL). В этих моделях турбулентная вязкость определяется с помощью двух различных расширений логарифмического пристенного закона. Локальное число Рейнольдса для этих моделей зависит от расстояния до ближайшей стенки. Преимущество данного подхода заключается в отсутствии необходимости решать дополнительные уравнения переноса, а также задавать для переменных турбулентности условия для впуска и выпуска. Алгебраические модели турбулентности требуют меньше вычислительных ресурсов. Кроме того, они более надежные (хоть и менее точные), чем модели турбулентности на основе транспортных уравнений, например, модели k-ε и k-ω.

Поле скорости и линии тока (цветом показана турбулентная вязкость) в смесителе с закрепленным импеллером, полученные в результате моделирования с помощью алгебраической модели турбулентности Y+.

При расчете квазиустойчивого потока с использованием исследования типа Frozen Rotor (Замороженный ротор) вы можете оценить деформацию свободной поверхности в результате суммарного влияния потока жидкости и объемных сил (например, гравитации). При расчете потока жидкости к его выбранной границе прикладывается среднее давление. Затем на шаге постобработки результатов исследования на основании расчетного изменения давления на границе оценивается величина подъема поверхности.

Линии тока и поверхностная деформация, вызванная течением вокруг торпеды. Квазиустойчивый поток расчитывается с помощью интерфейсов Rotating Machinery (Вращающийся механизм), Fluid Flow (Ток жидкости) посредством моделирования Frozen Rotor (Замороженный ротор). Турбулентность моделируется с помощью алгебраической модели Y+, а значение подъема поверхности вычисляется с помощью новой функции Stationary Free Surface (Стационарная свободная поверхность).

Посмотреть дополнительные скриншоты »

Сопла для распыления краски изначально создавались для использования в принтерах, однако эта технология нашла применение и в других областях, например, в медико-биологических науках и в микроэлектронике. Модели позволяют лучше понять динамику потоков текучей среды и рассчитать оптимальную для решения определенной задачи конструкцию распылительного сопла.

Назначение приложения Inkjet Design (Разработка распылительных сопел) — помочь адаптировать форму распылительного сопла и режим его работы с учетом желаемого размера капли, который зависит от угла контакта, поверхностного натяжения, вязкости и плотности выбрасываемой жидкости. Кроме того, результаты позволяют понять, разделяется ли выбрасываемый объем жидкости на несколько капель перед тем, как слиться в единую каплю на подложке.

Для моделирования потока текучей среды используются уравнения Навье — Стокса для несжимаемой жидкости с учетом поверхностного натяжения. Для отслеживания поверхности жидкости применяется метод множества уровня.

Снимки экрана, демонстрирующие процесс выброса. Сделаны в ходе моделирования работы распылительного сопла. На графиках показан профиль импульса распыления (1D) и изменение размера капли с течением времени (2D, 3D).

Аэродинамические свойства крыла, пропеллера или лопатки турбины во многом определяются точной формой профиля крыла. Приложение NACA Airfoil Optimization (Оптимизация профиля крыла NACA) вычисляет две основные аэродинамические характеристики (коэффициенты подъемной силы и силы лобового сопротивления) полностью параметризованного профиля крыла NACA. Оно может использоваться для визуализации того, как изменения толщины, угла расположения крыла и длины хорды влияют на аэродинамические характеристики.

Приложение автоматически выбирает интерфейсы и сетки на основании указанного пользователем числа Рейнольдса для потока жидкости. При малом значении числа Рейнольдса для моделирования используется интерфейс Laminar Flow (Ламинарный поток), при большом — модель турбулентности Спаларта — Аллмараса, разработанная специально для моделирования конструкции крыла.

Геометрия профиля крыла полностью параметризована, поэтому вы можете самостоятельно задать размеры крыла или позволить решателю приложения самостоятельно найти оптимальную геометрию для улучшения аэродинамических качеств крыла.

Турбулентный поток вокруг профиля NACA, вычисленный с помощью модели турбулентности Спаларта — Аллмараса.

Резервуары для водоподготовки используются в промышленных процессах для очистки воды от бактерий и прочих загрязнений, благодаря чему она становится пригодной для питья.

Приложение Water Treatment Basin (Резервуар для водоподготовки) демонстрирует возможности моделирования турбулентного течения и вещественных балансов, зависящих от химических реакций, с помощью приложений. Вы можете задать габаритные размеры и положения резервуара, турбулизаторов, подводящей и отводящей магистрали. Также вы можете указать скорость впуска, концентрацию компонентов, постоянную скорости реакции для реакций первого порядка.

Приложение решает задачу турбулентного течения сквозь резервуар и отображает результирующие течение, поля концентрации, а также пространственно-временные характеристики, время уменьшения концентрации реагентов вдвое и падение давления.

Величина скорости и линии тока, полученные в результате моделирования реагирующего потока в резервуаре для водоподготовки.