Обновление модуля Вычислительная гидродинамика
Для пользователей версии 5.3 программного пакета COMSOL Multiphysics® в модуль Вычислительная гидродинамика добавлены новая модель турбулентности v2-f для моделирования на изогнутых поверхностях, более эффективный алгебраический многосеточный решатель (AMG) и автоматический выбор модели для пристеночных областей для обеспечения высокой точности расчета турбулентных течений. Ознакомиться с обновлением и новыми функциями модуля Вычислительная гидродинамика можно ниже.
Новый гидродинамический интерфейс для модели турбулентности v2-f
Модель турбулентности v2-f, расширяющая модель турбулентности k-ε, обеспечивает высокоточные решения для потоков с сильной анизотропией турбулентности. Примером задачи, где эта модель турбулентности оказывается более эффективной по сравнению с другими моделями, является течение вдоль изогнутых поверхностей, например, в циклонном сепараторе, показанном на рисунке. Эта модель успешно отображает структуру потока, в том числе свободный вихрь, моделирование которого изначально затруднено в моделях циклонов и в значительной степени невозможно со стандартными моделями турбулентности с двумя уравнениями.
Линии тока и давления (слева) и вихревое ядро (справа) в модели потока в циклонном сепараторе.
Линии тока и давления (слева) и вихревое ядро (справа) в модели потока в циклонном сепараторе.
Автоматический выбор модели в пристеночной области
Новая функция для расчета турбулентных течений позволяет автоматически переключаться между низкорейнольдсовой моделью турбулентности и пристеночными функциями при решении пользовательской модели. Эта функциональность доступна и выбрана по умолчанию для следующих моделей турбулентности: Алгебраическая модель Y+, L-VEL, k-ω, SST, с малым числом Рейнольдса k-ω, Спаларта — Аллмараса и v2-f.
Если разрешение сетки вблизи стенки достаточно, то используется низкорейнольдсовая модель. Когда сетка слишком грубая, автоматически используются пристеночные функции вместе с выбранной моделью турбулентности. Переключение между ними может происходить в одной модели. Автоматический выбор модели в пристеночной области обеспечивает точность, обусловленную разрешением сетки, при этом обладает надежностью моделей с пристеночными функциями.
Разрешение сетки в пристеночной области в вязких безразмерных единицах (цветовая схема Aurora Borealis (Полярное сияние)) влияет на автоматический выбор модели для пристеночной области — будет использована либо низкорейнольдсовая модель турбулентности, либо пристеночные функции. Чем меньше безразмерное расстояние от стенки, тем выше разрешение сетки в пристеночной области, и тем выше точность низкорейнольдсовой модели турбулентности.
Разрешение сетки в пристеночной области в вязких безразмерных единицах (цветовая схема Aurora Borealis (Полярное сияние)) влияет на автоматический выбор модели для пристеночной области — будет использована либо низкорейнольдсовая модель турбулентности, либо пристеночные функции. Чем меньше безразмерное расстояние от стенки, тем выше разрешение сетки в пристеночной области, и тем выше точность низкорейнольдсовой модели турбулентности.
Путь к примеру с использованием автоматического выбора модели в пристеночной области в Библиотеке приложений:
CFD_Module/Single-Phase_Benchmarks/pipe_elbow
Автоматический перход к другой модели турбулентности
Успешная стратегия моделирования турбулентных потоков состоит в том, чтобы начать с относительно простой модели турбулентности для понимания системы и устранения неполадок в настройке модели. После получения рабочей модели с правдоподобными результатами, на следующем шаге разрабатывается более сложная и, возможно, более требовательная к вычислительным ресурсам модель турбулентности для более высокой точности.
Для этого была введена новая функциональная возможность, которая «переводит» значение переменных турбулентности из одной модели турбулентности в другую. Это означает, что нет необходимости переопределять настройки области и граничные условия для второй модели турбулентности. Кроме того, вы можете использовать существующее решение в качестве начального приближения для повышения надежности и более быстрого преобразования в решение задачи турбулентности второй модели.
Алгебраический многосеточный (AMG) решатель для вычислительной гидродинамики
Алгебраический многосеточный метод сглаженной агрегации (SA-AMG) расширили для работы с особыми сглаживающими алгоритмами вычислительной гидродинамики в программном пакете COMSOL Multiphysics®: сглаживающими алгоритмами SCGS, Vanka и SOR.
Использование альтернативного геометрического многосеточного (GMG) решателя обычно требует рассмотрения нескольких уровней сетки, что может вызвать затруднения при попытке построить сетку и решить модели с различными геометрическими деталями разных размеров. Для решателя SA-AMG (Алгебраический многосеточный метод сглаженной агрегации) требуется только один уровень сетки, что значительно облегчает построение сетки, а процесс решения значительно более устойчив к крупным проблемам и «трудным» геометриям.
Например, в модели взаимодействия жидкости и конструкции в солнечной панели (на изображении), стойки и балки, поддерживающие панели, малы по сравнению с окружающей воздушной областью. Это различие в размерах затрудняет эффективное построение сетки в воздушной области и в маленьких деталях и компонентах, что было бы еще сложнее, если бы нужно было создать три сетки разного размера. Для решателя SA-AMG (Алгебраический многосеточный метод сглаженной агрегации) требуется только один уровень сетки, что намного упрощает задачу.
Fluid flow past a solar panel and the pressure distribution on the surface of it undergoing fluid-structure interaction behavior. The difference in the dimensional sizes of the supporting struts and beams against the surrounding air domain leads to challenges when meshing the model. With the SA-AMG solver, only one mesh level is required for the solution process, which is far faster and easier to achieve compared to the solution process with the GMG solver, which requires three mesh levels.
Fluid flow past a solar panel and the pressure distribution on the surface of it undergoing fluid-structure interaction behavior. The difference in the dimensional sizes of the supporting struts and beams against the surrounding air domain leads to challenges when meshing the model. With the SA-AMG solver, only one mesh level is required for the solution process, which is far faster and easier to achieve compared to the solution process with the GMG solver, which requires three mesh levels.Путь к Библиотеке приложений с примером, использующим алгебраический многосеточный решатель:
CFD_Module/Single-Phase_Tutorials/solar_panel
Новая формулировка и учебные материалы для потока с большим числом Маха
Интерфейс High-Mach Number Flow (Поток с большим числом Маха) сочетает уравнения сохранения импульса и энергии для невязких потоков, число Маха для которых больше или равно 1. Для достижения повышенной точности он был улучшен за счет модифицированной формулировки уравнений импульса. Кроме того, в Библиотеке приложений представлены три новые учебные модели, иллюстрирующие сверхзвуковые потоки: учебные модели Euler Bump 3D (Трехмерный выступ Эйлера), Expansion Fan (Сектор разрежения) и Supersonic Ejector (Cверхзвуковые эжекторы). Все эти примеры воспроизводят результаты научных исследований.
Ромбовидные скачки уплотнения в поле скоростей сверхзвукового потока из модели сверхзвукового эжектора (слева). Ромбовидные скачки уплотнения позади двигателя самолета SR-71 (справа). Графические материалы предоставлены НАСА. НАСА не поддерживает программное обеспечение COMSOL Multiphysics®.
Ромбовидные скачки уплотнения в поле скоростей сверхзвукового потока из модели сверхзвукового эжектора (слева). Ромбовидные скачки уплотнения позади двигателя самолета SR-71 (справа). Графические материалы предоставлены НАСА. НАСА не поддерживает программное обеспечение COMSOL Multiphysics®.
Путь к Библиотеке приложений к файлу с новой учебной моделью High-Mach Number Flow (Поток с большим числом Маха):
CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/euler_bump
CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/expansion_fan
CFD_Module/High_Mach_Number_Flow/supersonic_ejector
Новое граничное условие Interior Wall (Внутренняя стенка)
Теперь в интерфейсах Darcy Law (Закон Дарси), Richards Equations (Уравнения Ричардса) и Two-Phase Darcy's Law (Двухфазный закон Дарси) можно задавать условие тонких внутренних стенок. Используйте узел Interior Wall (Внутренняя стенка), чтобы избежать построения сетки на тонких непроницаемых структурах, встроенных в пористую среду, таких как подпорные стенки, плиты и прочее. Это сокращает время и ресурсы, требуемые для вычислений.
Новое граничное условие Thin Barrier (Тонкий барьер)
В интерфейсах Darcy Law (Закон Дарси) и Richards Equations (Уравнения Ричардса) можно задать проницаемые стенки на внутренних границах с граничным условием Thin Barrier (Тонкий барьер). Такие внутренние границы обычно используются для представления тонких структур с низкой магнитной проницаемостью. При граничном условии Thin Barrier (Тонкий барьер) можно избежать построения сетки на тонких структурах, таких как геотекстиль или перфорированные пластины. Это сокращает время и ресурсы, требуемые для вычислений.
Новая учебная модель: резонатор Гельмгольца с потоком, взаимодействие потока и акустики
Резонаторы Гельмгольца используются в выхлопных системах, поскольку они могут ослаблять сигнал в заданной узкой полосе частот. Наличие потока в системе изменяет акустические свойства резонатора и затухание в подсистеме. В этой учебной модели резонатор Гельмгольца расположен в боковом ответвлении основного канала. Затухание в основном канале исследуется при добавлении потока.
Средний расход рассчитывается с использованием комбинированной модели турбулентности SST при Ma = 0,05 и Ma = 0,1. После этого задача акустики решается с помощью интерфейса Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain (Линеаризованные уравнения Навье — Стокса, частотная область) Средняя скорость потока, давление и турбулентная вязкость взаимосвязаны с линеаризованными уравнениями Навье – Стокса. Результаты сравниваются с измерениями из журнальной статьи, а амплитуды и положения резонансов хорошо согласуются с данными измерений (как видно из одномерного графика). Для правильного определения положения резонанса необходимо точно рассчитать равновесие между эффектами затухания и эффектами потока.
Примечание: для этой модели требуются модули Акустика и Вычислительная гидродинамика.
Распределение уровней акустического звукового давления (спереди), поверхностные линии тока (в центре) и амплитуда фонового потока (сзади) в резонаторе Гельмгольца, расположенном в боковом ответвлении от основного канала.
Распределение уровней акустического звукового давления (спереди), поверхностные линии тока (в центре) и амплитуда фонового потока (сзади) в резонаторе Гельмгольца, расположенном в боковом ответвлении от основного канала.
Затухание, рассчитанное с использованием линеаризованных уравнений Навье — Стокса для трех конфигураций потока.
Затухание, рассчитанное с использованием линеаризованных уравнений Навье — Стокса для трех конфигураций потока.
Путь к файлам в Библиотеке приложений:
Acoustics_Module/Aeroacoustics_and_Noise/helmholtz_resonator_with_flow
Новый интерфейс Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде).
Моделирование уплотненных слоев, монолитных реакторов и других каталитических гетерогенных реакторов существенно упрощается благодаря новому мультифизическому интерфейсу Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористых средах). Он задает диффузию, конвекцию, миграцию и реакцию химических веществ для потока в пористой среде, не требуя устанавливать отдельные интерфейсы и связывать их. Мультифизический интерфейс автоматически объединяет все взаимные связи и физические интерфейсы, необходимые для моделирования гетерогенного катализа, а также потока в пористых средах и переноса растворенных или концентрированных химических веществ.
Поскольку этот мультифизический интерфейс дополняет аналогичный мультифизический интерфейс для ламинарного и турбулентного потока, у вас есть возможность переключать или определять новые взаимные связи для других типов моделей потока без необходимости переопределения и настройки нового интерфейса для задействованных физических явлений. В окне настроек можно выбрать тип моделируемого потока, а также перенос химических веществ без потери каких-либо определенных свойств материала или кинетики реакции. Это значит, что можно сравнивать различные структуры реактора или моделировать поток в свободной или пористой среде в одном реакторе даже при подключении двух режимов (см. изображение).
Модель микрореактора с пористыми слоями, показывающая изоповерхности концентрации реагента, вводимого через вертикальную иглу в свободный поток, содержащий второй реагент, который затем проталкивается через область монолитной каталитической пористой среды реактора. Модель можно полностью задать в новом мультифизическом интерфейсе Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде).
Модель микрореактора с пористыми слоями, показывающая изоповерхности концентрации реагента, вводимого через вертикальную иглу в свободный поток, содержащий второй реагент, который затем проталкивается через область монолитной каталитической пористой среды реактора. Модель можно полностью задать в новом мультифизическом интерфейсе Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде).Путь к файлу с примером использования нового интерфейса Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде) в Библиотеке приложений :
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_PorousCatalyst_porous_reactor
Новый интерфейс Transport of Diluted Species in Fractures (Перенос растворенных веществ в трещинах)
Глубина трещин мала по сравнению с их длиной и шириной. Из-за большого различия значений глубины, длины и ширины сложно выполнить построение сетки для трещин, а значит, сложно моделировать перенос химических веществ в трещинах. Новый интерфейс Transport of Diluted Species in Fractures (Перенос растворенных веществ в трещинах) рассматривает трещину как оболочку, где для построения поверхностной сетки используются только поперечные размеры трещины.
Интерфейс позволяет определить среднюю глубину трещины, а также пористость в тех случаях, когда трещина имеет пористую структуру. Для переноса химических веществ интерфейс позволяет определять модели эффективной диффузии для учета эффектов пористости. Конвективный перенос может быть связан с интерфейсом Thin-Film Flow (Тонкопленочный поток) или с пользовательскими уравнениями, определяющими поток жидкости в трещине. Кроме того, можно определить химические реакции в трещинах, на их поверхностях или в пористой среде, в которой содержится трещина.
Перенос растворенных веществ вдоль слабо изогнутой поверхности трещины. Изогнутая поверхность представлена извилистым углублением, в котором происходит перенос химических веществ.
Перенос растворенных веществ вдоль слабо изогнутой поверхности трещины. Изогнутая поверхность представлена извилистым углублением, в котором происходит перенос химических веществ.
Поверхности трещин в интерфейсе Transport of Diluted Species in Porous Media (Перенос растворенных веществ в пористой среде)
При переносе в пористой трехмерной структуре, содержащей трещины, новое граничное условие Fracture (Трещина) позволяет моделировать перенос в тонких трещинах без необходимости построения для них сетки как для трехмерных объектов. Граничное условие Fracture (Трещина) включено в интерфейс Transport of Diluted Species in Porous Media (Перенос растворенных веществ в пористой среде) (см. изображение) и имеет настройки, аналогичные настройкам интерфейса Transport of Diluted Species in Fractures (Перенос растворенных веществ в трещине), который описан выше. Обеспечивается плавный переход между моделями потока жидкости и переноса химических веществ в трехмерной пористой среде и в трещине.
На изображении ниже показано поле концентрации в модели реактора с пористыми слоями. В модели для перекрученной трещины «просачивание» реагентов внутрь пористого катализатора (слева направо) происходит быстрее, чем перенос в пористой среде. Это происходит потому, что значение средней пористости для поверхности трещины значительно выше, чем для окружающего пористого катализатора, что приводит к более высокой скорости массообмена.
Контурная диаграмма концентрации в трехмерном объеме реактора и поверхностная концентрация на поверхности трещины. Ускоренный массообмен в трещине способствует улучшению проникновения непрореагировавших молекул внутрь каталитического слоя (справа налево) Видно, что концентрация практически одинакова по всей поверхности трещины и изменяется от 0,63 до 0,62 моль/м3.
Контурная диаграмма концентрации в трехмерном объеме реактора и поверхностная концентрация на поверхности трещины. Ускоренный массообмен в трещине способствует улучшению проникновения непрореагировавших молекул внутрь каталитического слоя (справа налево) Видно, что концентрация практически одинакова по всей поверхности трещины и изменяется от 0,63 до 0,62 моль/м3.
