Обновления модуля Вычислительная гидродинамика

Для пользователей модуля Вычислительная гидродинамика в версии COMSOL Multiphysics® 5.3a добавлены новая реалистичная модель турбулентности k-ε, возможность учета генерации турбулентности под воздействием подъемных сил и граничные условия на входе для полностью развитого турбулентного потока. Узнать подробнее об этих и других обновлениях модуля Вычислительная гидродинамика можно ниже.

Новый интерфейс реалистичной модели турбулентности k-ε

С новым интерфейсом Turbulent Flow, Realizable k-ε (Турбулентное течение, реалистичная k-ε модель) в вашу коллекцию моделей турбулентности добавляется популярная RANS-модель. В большинстве моделей турбулентности предусмотрены ограничивающие критерии реалистичности, обеспечивающие неотрицательные значения нормальных турбулентных напряжений, выполнение неравенства Коши — Буняковского — Шварца между любыми колеблющимися величинами, а также ограничивающие генерацию турбулентности. Однако в новой модели турбулентности k-ε условия реалистичности обеспечиваются за счет функциональной зависимости коэффициентов в уравнениях переноса для характеристик турбулентности от осредненной скорости потока, а также от k и ε. Такой подход позволяет более реалистично и гладко описать предельные состояния.

Демонстрация новой реалистичной модели турбулентности k-ε в COMSOL Multiphysics 5.3a. Турбулентный поток, направленный под прямым углом на одну из граней куба. Благодаря реалистичной модели турбулентности k-ε можно предотвратить появление отрицательных значений компонентов энергии турбулентности в направлении деформации, которые могут возникнуть при быстрой деформации. Турбулентный поток, направленный под прямым углом на одну из граней куба. Благодаря реалистичной модели турбулентности k-ε можно предотвратить появление отрицательных значений компонентов энергии турбулентности в направлении деформации, которые могут возникнуть при быстрой деформации.

Все модели турбулентности теперь доступны при моделировании вращающихся механизмов

В новой версии модуля Вычислительная гидродинамика при моделировании вращающихся механизмов теперь доступны все модели турбулентности. Таким образом, становится проще моделировать турбулентное течение в обородуовании с вращающимися частями, поскольку можно использовать любую из моделей турбулентности, тогда как ранее для этого требовалось вручную записывать уравнения модели во вращающейся системе координат.

Модель центробежного насоса. Модель центробежного насоса, построенная с помощью комбинации вращающихся механизмов и новой модели турбулентности. Модель центробежного насоса, построенная с помощью комбинации вращающихся механизмов и новой модели турбулентности.

Все модели турбулентности теперь можно использовать для интерфейсов Mixture Model (Модель смеси) и Bubbly Flow (Аэрированный поток)

В интерфейсы Bubbly Flow (Пузырьковое течение) и Mixture Model (Модель смеси) теперь включены все модели турбулентности, а также для всех моделей, кроме стандартной и реалистичной k-ε, реализован автоматический выбор модели для пристеночной области. Кроме того, доступны граничные условия для внутренних (погруженных) поверхностей, с помощью которых можно заменить тонкие стенки на поверхности и моделировать импеллеры, роторы, экраны, ребра и прочие элементы, не создавая трехмерных сеток для тонких элементов геометрии.

 

Эталонная модель турбулентного пузырькового течения с учетом генерации турбулентности за счет аэрации. На анимации снизу показана объемная доля газовой фазы.

Турбулентность, вызванная подъемной силой

Под воздействием эффектов плавучести в объеме жидкости возникает массовая сила, которая естественным образом может приводить к неустойчивости. В конечном счете неустойчивости потока становятся хаотичными и перерастают в турбулентность. Теперь при использовании функции Gravity (Сила тяжести), которая используется для моделирования эффектов плавучести в модуле Вычислительная гидродинамика, можно учесть генерацию турбулентности вследствие действия подъемной силы. Можно задать либо автоматический расчет вклада подъемной силы с помощью мультифизической связи Nonisothermal Flow (Неизотермический поток), либо с помощью определенного пользователем критерия Шмидта для турбулентности.

Граничное условие Inlet (Вход) для полностью развитого турбулентного потока

С помощью граничного условия Inlet (Вход) для полностью развитого турбулентного потока можно определить профиль скорости и значения переменных турбулентности в поперечном сечении входа, предполагая, что для канала входа в направлении против потока задана определенная длина, а течение стабилизировано. В предыдущих версиях программного пакета COMSOL® для точной оценки профиля скорости в поперечном сечении потребовалось бы моделировать очень длинный входной отрезок канала. Благодаря новому граничному условию можно получить чрезвычайно точный профиль на входе без необходимости строить дополнительные геометрические объекты, тем самым обеспечивая экономию вычислительных ресурсов.

Пример моделирования полностью развитого турбулентного потока. Входное отверстие сопла с поперечным сечением в форме звезды моделируется с помощью условия полностью развитого турбулентного потока на входе. Входное отверстие сопла с поперечным сечением в форме звезды моделируется с помощью условия полностью развитого турбулентного потока на входе.

Новое граничное условие: Inflow (Входной поток)

Новое граничное условие Inflow (Входной поток) позволяет задать тепловой поток на входных границах расчетной области, исходя из известных параметров течения выше по потоку. Условие Inflow учитывает температуру и давление выше по потоку и заменяет собой граничное условие Temperature (Температура), которое обычно устанавливалось на входных границах. Кроме того, условие Inflow не ограничивает температуру на границах входного сечения, а задает плотность теплового потока, согласующуюся с условиями выше по потоку. Таким образом, это условие более точно и адекватно описывает физическую реальность. Во всех моделях Библиотеки приложений, в которых анализируется теплообмен в системах с входными границами, теперь используется это граничное условие.

Измененные интерфейсы Rotating Machinery (Вращающееся оборудование) с подвижной сеткой

Интерфейсы Rotating Machinery, Fluid Flow (Вращающееся оборудование, поток текучей среды) были улучшены: узел Rotating Domain (Вращающаяся область) отделен от физики потока текучей среды. При добавлении одного из этих интерфейсов в разделе Definitions (Определения) > Moving Mesh (Подвижная сетка) также появляется интерфейс однофазного потока и узел Rotating Domain (Вращающаяся область). Благодаря этому отделению теперь можно сочетать любой интерфейс потока текучей среды с вращающимся оборудованием. Несмотря на более гибкие инструменты, задать поток текучей среды во вращающемся оборудовании и отдельную подвижную сетку так же просто, как и в предыдущих версиях COMSOL Multiphysics®. Подвижная сетка управляет пространственной системой координат в модели и применима ко всем физическим интерфейсам в модели с вращающимися областями. К примеру, это упрощает моделирование потока текучей среды, сопряженного с переносом химических веществ в мешалках и реакторах.

 

В учебной модели аккуратно размешанного жидкого раствора используется новый интерфейс Rotating Machinery (Вращающееся оборудование) для моделирования ламинарного потока. Интерфейс Rotating Machinery (Вращающееся оборудование) также доступен для более интенсивных мешалок и корпусных реакторов.

Новый интерфейс Fluid-Structure Interaction (Взаимодействие текучей среды и конструкции), который поддерживает все модели турбулентности

Новая мультифизическая взаимосвязь Fluid-Structure Interaction (Взаимодействие текучей среды и конструкции) заменяет интерфейс, который использовался в предыдущих версиях программного пакета COMSOL®. Новый узел мультифизической связи отвечает современному стилю настройки модели и соединяет несколько интерфейсов и мультифизических узлов. Таким образом, все функции задействованных физических интерфейсов доступны для моделирования взаимодействия жидкости и конструкции. Теперь для этого можно применять многие механические граничные условия и модели конструкционных материалов, такие как жесткие области, модели пьезоэлектрических и нелинейных упругих материалов. Доступны также новые гидродинамические граничные условия и все модели турбулентности. Добавив интерфейс Fluid-Structure Interaction (Взаимодействие жидкости и конструкции) в Мастер создания моделей, вы получите интерфейс Solid Mechanics (Механика твердых тел), интерфейс Laminar Flow (Ламинарный поток), мультифизический узел Fluid-Structure Interaction (Взаимодействие жидкости и конструкции) и узел Moving Mesh (Подвижная сетка) в разделе Definitions (Определения). Все модели взаимодействия жидкости и твердых конструкций в Библиотеке приложений обновлены и теперь используют новый узел мультифизической связи.

Модель крыла спортивного автомобиля в турбулентном потоке. Давление (цветовая таблица) и деформация (увеличенная в 50 раз на поверхности) крыла спортивного автомобиля в турбулентном потоке (показан линиями тока) на скорости 200 км/ч в испытательном стенде. Модель использует одностороннее взаимодействие текучей среды и конструкции в новом физическом интерфейсе. Давление (цветовая таблица) и деформация (увеличенная в 50 раз на поверхности) крыла спортивного автомобиля в турбулентном потоке (показан линиями тока) на скорости 200 км/ч в испытательном стенде. Модель использует одностороннее взаимодействие текучей среды и конструкции в новом физическом интерфейсе.

Значительное улучшение производительности и стабильности для нестационарных задач

Изменена стратегия использования решателей для нестационарных задач, благодаря чему процесс решения оптимизируется и выполняется до 50% быстрее без малейшей потери в точности.

Модель потока вокруг сферы Модель нестационарного обтекания сферы, создающей ниже по потоку вихревую дорожку Кармана, решается быстрее в версии COMSOL Multiphysics® 5.3a. Модель нестационарного обтекания сферы, создающей ниже по потоку вихревую дорожку Кармана, решается быстрее в версии COMSOL Multiphysics® 5.3a.

Оптимизированный интерфейс Free and Porous Media Flow (Свободный поток и поток в пористой среде)

Новая версия интерфейса Free and Porous Media Flow (Свободный поток и поток в пористой среде) позволяет связать ламинарный или турбулентный свободный поток с потоком в пористой среде. Этот интерфейс уникально сочетается с электрохимическими интерфейсами, позволяя моделировать пористые электродов.

Модель проницаемости Козени – Кармана

Модель проницаемости Козени – Кармана, доступная при работе с интерфейсом Darcy's Law (Закон Дарси) в версии COMSOL Multiphysics® 5.3a, позволяет рассчитать проницаемость засыпки, основываясь на значениях пористости и диаметра частиц.

Функция Thin Barrier (Тонкий барьер) в интерфейсе Two-Phase Darcy’s Law (Двухфазный закон Дарси)

Интерфейс Two-Phase Darcy’s Law (Двухфазный закон Дарси) теперь можно использовать для задания проницаемых поверхностей на внутренних границах. Внутренние границы обозначают тонкие конструкции с низкой проницаемостью. С помощью функции Thin Barrier (Тонкий барьер) можно избежать затратного построения сетки на тонких структурах, таких как геотекстиль или перфорированные пластины. Кроме того, проницаемость внутренней стенки может быть изотропной или анизотропной.

Новая учебная модель: поток в гидроциклоне

Модель турбулентности v2-f в последней версии программного пакета COMSOL Multiphysics® подходит для моделирования гидроциклона и обеспечивает высокоточные результаты. Поэтому мы включили эту модель в число учебных, чтобы вам было проще создать подобную модель турбулентности в своих собственных проектах. Среди результатов показаны поле скорости и падение давления в гидроциклоне, которые идеально соотносятся с данными из научной литературы.

График из учебной модели Flow in a Hydrocyclone (Течение в гидроциклоне). Траектории потока и частиц в гидроциклоне. Более легкие частицы захватываются потоком и следуют в его основном направлении к верхнему выходу. Более тяжелые частицы отталкиваются в радиальном направлении центробежной силой и выходят с небольшой долей потока через нижний выход. Траектории потока и частиц в гидроциклоне. Более легкие частицы захватываются потоком и следуют в его основном направлении к верхнему выходу. Более тяжелые частицы отталкиваются в радиальном направлении центробежной силой и выходят с небольшой долей потока через нижний выход.

Путь в Библиотеке приложений:

CFD_Module/Single-Phase_Tutorials/hydrocyclone

Новая учебная модель: звукопоглощающая конструкция со скользящим фоновым потоком

В этой модели показано, как вычислить акустические свойства звукопоглощающей конструкции со скользящим потоком. Конструкция состоит из восьми резонаторов с тонкими прорезями и скользящего фонового потока с числом Маха 0,3. Акустическое давление над звукопоглощающей конструкцией можно вычислить и сравнить с результатами опубликованного исследования. В модели поток сначала вычисляется с помощью модели турбулентности SST, доступной в модуле Вычислительная гидродинамика. Затем акустические параметры вычисляются с помощью интерфейса Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain (Линеаризованные уравнения Навье — Стокса, частотная область) в модуле Акустика.

Обратите внимание на то, что для запуска этой модели требуется модуль Вычислительная гидродинамика.

 
Колебания акустической скорости по мере распространения плоской волны над первыми четырьмя резонаторами звукопоглощающей конструкции. На цветовом графике показана амплитуда скорости, а стрелками обозначены векторы скорости. Взаимодействие потока и звуковых волн приводит к образованию завихрений рядом с отверстиями на поверхности звукопоглощающей конструкции.


Ссылка на Библиотеку приложений:

Звукопоглощающая конструкция со скользящим фоновым потоком

Новая учебная модель: расходомер Кориолиса

Расходомер Кориолиса, также известный как массовый или инерционный расходомер, используется для измерения массового расхода жидкости, проходящей через него. Принцип его работы основан том, что инерция среды, протекающей сквозь вибрирующую трубку, заставляет эту трубку скручиваться в спираль пропорционально массовому расходу. Как правило, с помощью этого прибора можно также рассчитать плотность и, соответственно, объемный расход.

В этой модели показан типовой расходомер Кориолиса с криволинейной геометрией. Текучая среда, проходящая через его эластичную конструкцию (криволинейную трубку), влияет на движение трубки под действием вибрации. Сдвиг фазы между деформацией двух точек трубки объясняется эффектом Кориолиса и может использоваться для оценки массового расхода жидкости, протекающей по системе.

В этой модели используется интерфейс Linearized Navier-Stokes, Frequency Domain (Линеаризованные уравнения Навье — Стокса, частотная область) в сочетании с интерфейсом _Solid Mechanics (Механика твердого тела) и встроенная мультифизическая связь. Осредненный фоновый поток моделируется с помощью интерфейса Turbulent Flow, SST (Турбулентный поток, SST). Таким образом, можно эффективно моделировать взаимодействие текучей среды и конструкции в частотной области.

 

Движение трубки расходомера Кориолиса при трех различных значениях массового расхода. Расходомер приводится в движение на собственной частоте конструкции. Амплитуда деформации и фаза преувеличены для наглядности. По мере роста скорости потока разность фаз в направлении по течению и против него увеличивается.

Ссылка на Библиотеку приложений:

Расходомер Кориолиса: моделирование взаимодействия текучей среды и конструкции в частотной области