Обновления модуля Вычислительная гидродинамика

Пользователи модуля Вычислительная гидродинамика в COMSOL Multiphysics® версии 5.2a получат новые возможности для быстрых вычислений определенных неизотермических моделей потока, возможность легкого учета силы тяжести в моделях, возможность использовать приближение Буссинеска для моделирования сжимаемого неизотермического потока и т. д. Более подробное описание обновлений модуля Вычислительная гидродинамика представлено ниже.

Опция Weakly Compressible Flow (Слабосжимаемый поток)

Новая опция Weakly compressible flow (Слабосжимаемый поток) раздела Compressibility (Сжимаемость) может использоваться для неизотермического потока, в котором изменениями плотности в зависимости от давления можно пренебречь. Это подходит для большинства потоков с числом Маха ниже 0,3. Преимущество использования данной опции вместо Compressible flow (Ma < 0.3) (Сжимаемый поток (Мах < 0,3)) заключается в том, что волны давления, распространяющиеся со скоростью звука, не требуют решения в зависимых от времени моделях. Это позволяет использовать большую дискретизацию по времени, что приводит к увеличению скорости вычислений.

Задача на моделирование вентиляции вытесняющим потоком решена с помощью новой опции Weakly Compressible Flow (Слабосжимаемый поток). График демонстрирует значение температуры (К) на изоповерхностях, поверхностях и линиях тока поля скорости. Задача на моделирование вентиляции вытесняющим потоком решена с помощью новой опции Weakly Compressible Flow (Слабосжимаемый поток). График демонстрирует значение температуры (К) на изоповерхностях, поверхностях и линиях тока поля скорости.
Задача на моделирование вентиляции вытесняющим потоком решена с помощью новой опции Weakly Compressible Flow (Слабосжимаемый поток). График демонстрирует значение температуры (К) на изоповерхностях, поверхностях и линиях тока поля скорости.

Для типа Incompressible flow (Несжимаемый поток) используются величины Reference values (Опорные значения) и для определения свойств жидкости, таких как и . Для новой опции Weakly compressible (Слабо сжимаемый) свойства жидкости являются функциями температуры (рекомендуется принимать ее из интерфейса Теплопередача), а давление от температуры не зависит. Поэтому и . Для типа Compressible flow (Ma<0.3) (Сжимаемый поток (Ma<0,3)) для расчета свойств жидкости используется как , так и . Запись (Ma < 0,3) означает, что стабилизация и граничные условия могут не подходить для более высоких чисел Маха, даже при том, что производится решение уравнений для непрерывности, момента и энергии в форме, подразумевающей полное сжатие.

Путь к примерам, в которых используется тип Weakly compressible flow (Слабо сжимаемый поток) при определении значения Compressibility (Сжимаемость), в интерфейсах Flow (Поток), в Библиотеке приложений:

Heat_Transfer_Module/Heat_Exchangers/heat_exchanger_ni
CFD_Module/Non-Isothermal_Flow/displacement_ventilation

Новая характеристика и функция Gravity (Сила тяжести)

Теперь для интерфейсов Single-Phase Flow (Однофазный поток) и Non-Isothermal Flow (Неизотермический поток) можно использовать силу тяжести в качестве одной из характеристик. При установке флажка Include gravity (Включить силу тяжести) массовая сила, равная , добавляется ко всем областям с активным интерфейсом потока жидкости, а в дереве модели появляется соответствующая функция Gravity (Сила тяжести). Сила тяжести добавляет возможность компенсации гидростатического давления при задании граничного условия по давлению, например, Outlet (Выпуск), Open Boundary (Открытая граница) или Boundary Stress (Граничное напряжение).

Существует возможность задать опорное положение, при котором давление и температура принимают свои опорные значения. Опорное положение используется функцией граничного условия для компенсации гидростатического давления. Например, при выборе опции компенсации гидростатического давления для граничного условия Outlet (Выпуск) распределение давления, равное , добавляется к пользовательскому значению давления на выпуске. Данный механизм компенсации является точным для несжимаемых потоков, а для двух других опций сжимаемости он обеспечивает хорошую аппроксимацию профиля давления на выпуске. Кроме того, существует вариант использования приведенного давления, например, автоматически включать гидростатическое давление в определение зависимой переменной для давления.

Путь в Библиотеке приложений к примеру, использующему опцию Include gravity (Включить силу тяжести) в интерфейсе Laminar Flow (Ламинарный поток): CFD_Module/Single-Phase_Tutorials/gravity_tutorial

 
Моделирование разблокирующего гравитационного течения, созданного резким изменением солености.

Приближение Буссинеска для неизотермического потока

При моделировании несжимаемого неизотермического потока с использованием материала с заданным коэффициентом теплового расширения автоматически добавляется сила выталкивания, линейно зависящая от температуры, а все свойства жидкости (такие как плотность, вязкость и теплопроводность) остаются постоянными. Такой подход к моделированию, обычно называемый приближением Буссинеска, часто используется для задач с неизотермическим потоком. Вместо указания точки линеаризации при использовании встроенного материала вы можете явно определить опорную плотность и коэффициент теплового расширения в узле Non-Isothermal Flow Multiphysics (Мультифизика неизотермического потока).

Температура (вверху) и величина скорости (внизу) конвекции между параллельными пластинами, нагреваемыми снизу, смоделированные с помощью приближения Буссинеска. Температура (вверху) и величина скорости (внизу) конвекции между параллельными пластинами, нагреваемыми снизу, смоделированные с помощью приближения Буссинеска.
Температура (вверху) и величина скорости (внизу) конвекции между параллельными пластинами, нагреваемыми снизу, смоделированные с помощью приближения Буссинеска.

Закрученный поток для функции Fan (Вентилятор)

В разделе Flow direction (Направление потока) для входа теперь можно выбрать вариант Swirl flow (Закрученный поток). Закрученность на стороне нагнетания вентилятора определяется указанием частоты вращения вентилятора и вихревого отношения, то есть отношения угловой скорости потока к угловой скорости лопастей.

Закрученный поток на стороне нагнетания вентилятора, расположенного на входе воздуховода. Закрученный поток на стороне нагнетания вентилятора, расположенного на входе воздуховода.
Закрученный поток на стороне нагнетания вентилятора, расположенного на входе воздуховода.

Функциональная возможность Pressure Work (Работа сил давления) теперь доступна для теплопередачи в пористых средах

Температура текучей составляющей пористой среды может меняться, если над ней совершается работа за счет перепада давления. Чтобы отразить это изменение в модели, функциональная возможность Pressure Work (Работа сил давления) теперь поддерживает не только свободное течение жидкости, но и пористые среды. Эта возможность доступна в узле Porous Medium (Пористая среда).

Новый мультифизический интерфейс Reacting Flow (Реагирующий поток)

Для лучшего изучения потоков текучих сред и реакций в газах и жидкостях новый мультифизический интерфейс Reacting Flow (Реагирующий поток) сочетает интерфейсы Single-Phase Flow (Однофазный поток) и Transport of Concentrated Species (Перенос концентрированных веществ). Новый мультифизический интерфейс Reacting Flow (Реагирующий поток), ранее доступный как отдельный интерфейс, позволяет лучше управлять настройками каждого физического интерфейса и мультифизической связи между ними.

Значительно улучшен процесс решения каждого из связанных интерфейсов в отдельности и совместно благодаря новой взаимосвязи Reacting Flow (Реагирующий поток). Это важно для создания подходящих начальных условий при моделировании реагирующего потока и для тестирования влияния взаимосвязи на результаты. Мультифизический интерфейс Reacting Flow (Реагирующий поток) поддерживает и ламинарный, и турбулентный реагирующий поток, а также потоки и реакции в пористых средах.

Путь к учебной модели, использующей новый мультифизический интерфейс Reacting Flow (Реагирующий поток), в Библиотеке приложений: Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_withMass_and_Heat_Transfer/roundjet_burner

Новые функциональные возможности переноса концентрированных веществ: характеристики переноса веществ в пористой среде

Новый инструмент Porous Media Transport Properties (Характеристики переноса веществ в пористой среде) позволяет исследовать явление многокомпонентного переноса веществ в растворе, протекающем через пористую среду. Новые функциональные возможности включают модели для расчета наиболее эффективных характеристик переноса, зависящих от степени пористости материала в комбинации с характеристиками переноса в концентрированных растворах.

Путь в Библиотеке приложений к примеру, использующему новый инструмент Porous Media Transport Properties (Характеристики переноса веществ в пористой среде) в интерфейсе Transport of Concentrated Species (Перенос концентрированных веществ): Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_Porous_Catalysts/carbon_deposition

Распределение пористости в реакторе пиролиза метана на основе твердотельного катализатора Ni-Al2O3 исследуется с помощью инструмента Porous Media Transport Properties (Характеристики переноса веществ в пористой среде). Пористость уменьшается при образовании кокса в результате пиролиза. Распределение пористости в реакторе пиролиза метана на основе твердотельного катализатора Ni-Al2O3 исследуется с помощью инструмента Porous Media Transport Properties (Характеристики переноса веществ в пористой среде). Пористость уменьшается при образовании кокса в результате пиролиза.
Распределение пористости в реакторе пиролиза метана на основе твердотельного катализатора Ni-Al2O3 исследуется с помощью инструмента Porous Media Transport Properties (Характеристики переноса веществ в пористой среде). Пористость уменьшается при образовании кокса в результате пиролиза.

Псевдодискретизация по времени в интерфейсе Transport of Concentrated Species (Перенос концентрированных веществ)

Новая функция псевдодискретизации по времени в интерфейсе Transport of Concentrated Species (Перенос концентрированных веществ) значительно улучшает скорость сходимости в решателях для стационарных исследований. Особенно полезной данная функция окажется в случае, если основным явлением в потоке вещества является адвекция (большие числа Пекле), например, в турбулентных реагирующих потоках.