Обновление функций модуля Вычислительная гидродинамика

Для пользователей модуля Вычислительная гидродинамика в версии 5.4 программного пакета COMSOL Multiphysics® доступны LES-модели турбулентности, модели взаимодействия жидкости и твердых конструкций для многофазного потока и модели переноса фазы в свободном объеме и пористой среде. Узнать подробнее об этих новых функциях можно ниже.

Модели крупных вихрей (LES-модели турбулентности)

Теперь для однофазных течений помимо моделей турбулентности, основанных на осредненных уравнениях Рейнольдса, доступны LES-модели (модели крупных вихрей). В LES-моделях крупные трехмерные нестабильные вихри разрешаются непосредственно на сетке, а мелкие вихри, размер которых не превышает размера элемента сетки, аппроксимируются. Этот подход требует решения трехмерных нестационарных уравнений гидродинамики. Благодаря стремительно развивающимся вычислительным технологиям, LES-модели подходят не только для обучения, но и для соответствующих областей промышленности. На данный момент доступны три интерфейса, реализующие LES-модели турбулентности, каждая из которых основана на методах вариационного многомасштабного моделирования — вариационного подхода для фильтрации неразрешенных сеткой масштабов, который можно использовать с методом конечных элементов.

Моделирование крупных вихрей.

Графики скалярного поля для величины скорости и графики изоповерхностей для скорости в направлении турбулентного потока в канале при значении Ret = 395. Моделирование было выполнено при помощи интерфейса LES RBVM (Residual Based Variational Multiscale) (LES-модель с использованием методом вариационного многомасштабного моделирования на основе остатка).

Графики скалярного поля для величины скорости и графики изоповерхностей для скорости в направлении турбулентного потока в канале при значении Ret = 395. Моделирование было выполнено при помощи интерфейса LES RBVM (Residual Based Variational Multiscale) (LES-модель с использованием методом вариационного многомасштабного моделирования на основе остатка).

Перенос фазы в свободном объеме и пористых средах

Новые интерфейсы Phase Transport (Перенос фазы) и Phase Transport in Porous Media (Перенос фазы в пористых средах) можно сочетать с интерфейсами однофазных и многофазных течений и моделировать многофазные течения в свободных и пористых средах с произвольным количеством фаз. Кроме того, в интерфейсах Darcy's Law (Закон Дарси) и Phase Transport in Porous Media (Перенос фазы в пористых средах) имеется предустановленная мультифизическая связь Multiphase Flow in Porous Media (Многофазный поток в пористых средах). С ее помощью можно моделировать многофазный поток с произвольным количеством фаз в пористой среде и задать такие свойства пористых сред, как относительная проницаемость и капиллярное давление между фазами. Использование этой функции показано в модели Двухфазный поток через линзу низкой проницаемости.

Модель двухфазного турбулентного потока.

Многофазный турбулентный поток через цилиндрическую диафрагму, помещенную в трубу. Расчет выполнен с помощью комбинации двух интерфейсов — Mixture Model, k-epsilon (k-epsilon модель многофазной смеси) и Phase Transport (Перенос фазы). Моделировалось перераспределение фазы в пяти заданных группах в результате турбулентного дробления.

Многофазный турбулентный поток через цилиндрическую диафрагму, помещенную в трубу. Расчет выполнен с помощью комбинации двух интерфейсов — Mixture Model, k-epsilon (k-epsilon модель многофазной смеси) и Phase Transport (Перенос фазы). Моделировалось перераспределение фазы в пяти заданных группах в результате турбулентного дробления.
Модель линзы низкой проницаемости. Двухфазный поток в пористой среде, в которой находится линза низкой проницаемости (показана красным цветом). Контуром обведены поверхности более тяжелой фазы, попадающей в пористую среду из верхней области. Фаза проникает в линзу низкой проницаемости только по достижении критического значения насыщения снаружи линзы. Двухфазный поток в пористой среде, в которой находится линза низкой проницаемости (показана красным цветом). Контуром обведены поверхности более тяжелой фазы, попадающей в пористую среду из верхней области. Фаза проникает в линзу низкой проницаемости только по достижении критического значения насыщения снаружи линзы.

Стабилизированный профиль скорости во входном и выходном сечениях

Опцию Fully developed flow (Стабилизированное течение) теперь можно применить к обоим граничным условиям Inlet (Вход) и Outlet (Выход) как для ламинарного, так и для турбулентного потока. При ее использовании для стабилизированного течения в трубопроводах произвольного поперечного сечения решаются дополнительные уравнения на входной и выходной границах, а результаты связываются с уравнениями, решаемыми в расчетной области. Во входном и выходном сечениях можно задать среднюю скорость, расход или среднее давление. Переменные турбулентности при этом являются частью решения. Использование этой функции продемонстрировано в модели Течение в колене трубы.

Пример использования опции Fully developed flow (Стабилизированный поток) на входной и выходной границах.

Профили скорости (показаны синим) и контуры давления в трубе полукруглого сечения, рассчитанные с помощью условия Fully developed flow (Стабилизированный поток) и без него. Во втором случае на входе наблюдается значительный спад давления из-за несовместимости равномерного профиля скорости и условия отсутствия скольжения на стенке трубы.

Профили скорости (показаны синим) и контуры давления в трубе полукруглого сечения, рассчитанные с помощью условия Fully developed flow (Стабилизированный поток) и без него. Во втором случае на входе наблюдается значительный спад давления из-за несовместимости равномерного профиля скорости и условия отсутствия скольжения на стенке трубы.

Неньютоновские жидкости с пределом текучести

Любой, кто когда-либо наливал кетчуп из бутылки, мог видеть, как ведет себя жидкость с пределом текучести. К моделям вязкости неньютоновских жидкостей были добавлены три модели вязкости с пределом текучести. В моделях Бингама–Папанастасиу и Кассона–Папанастасиу вязкость стремится к постоянной величине при больших значениях напряжения. Модель Гершеля–Балкли–Папанастасиу описывает свойства жидкости, подчиняющейся степенному закону при больших значениях напряжения.

Поверхность текучести жидкости.

Поверхность текучести для жидкости Гершеля–Балкли–Папанастасиу. Темным выделены области, в которых напряжение ниже предела текучести. В этих областях могут формироваться застойные зоны или стержневой режим течения.

Поверхность текучести для жидкости Гершеля–Балкли–Папанастасиу. Темным выделены области, в которых напряжение ниже предела текучести. В этих областях могут формироваться застойные зоны или стержневой режим течения.

Все модели турбулентности в интерфейсах двухфазного потока

В интерфейсах Two-Phase Flow, Level Set (Двухфазный поток, функция уровня) и Two-Phase Flow, Phase-Field (Двухфазный поток, метод фазового поля) теперь поддерживается весь набор моделей турбулентности.

Модель бака, построенная с использованием метода функции уровня. Модель бака цилиндрической формы с передвигающимся по поверхности жидкости препятствием, построенная с использованием метода функции уровня. Модель бака цилиндрической формы с передвигающимся по поверхности жидкости препятствием, построенная с использованием метода функции уровня.

Функция Interior Wetted Wall (Внутренняя смоченная стенка) в интерфейсах двухфазных потоков

В интерфейсах Two-Phase Flow, Level Set (Двухфазный поток, функция уровня) и Two-Phase Flow, Phase Field (Двухфазный поток, метод фазового поля) появилась новая опция Interior Wetted Wall (Внутрення смоченная стенка) для внутренних границ, которая дополняет уже существовавшую функцию Wetted Wall, доступную только для внешних границ. Эти опции позволяют указать угол контакта на внутренней движущейся или неподвижной стенке. Для интерфейса Two-Phase Flow, Level Set (Двухфазный поток, Функция уровня) опция Interior Wetted Wall является опцией мультифизической связи, а для интерфейса Two-Phase Flow, Phase Field (Двухфазный поток, метод фазового поля) — опцией в интерфейсе Phase Field (Метод фазового поля).

Пример использования опции Interior Wetted Wall (Внутренняя смоченная стенка) в модели. Моделирование колебаний погруженной в воду стенки методом функции уровня. Моделирование колебаний погруженной в воду стенки методом функции уровня.

Новая мультифизическая связь Pipe Connection (Соединение труб)

В версии 5.4 программного пакета COMSOL Multiphysics® в модуле Течение в трубопроводах появилась новая мультифизическая связь Pipe Connection (Соединение трубы), которая позволяет объединить интерфейс Pipe Flow (Течение в трубопроводе) с гидродинамическими интерфейсами для однофазных потоков. С новой мультифизической связью значительно проще соединить модель сегмента трубы в интерфейсе Pipe Flow (Течение в трубопроводе) с трехмерной моделью однофазного потока. Связь можно использовать для соединения потока в трубопроводе с областями, в которых моделируются как ламинарные, так и турбулентные потоки. Эта функция применяется в модели Конвективный поток в пластине теплообменника.

Модель, в которой использована новая взаимосвязь Pipe Connection (Соединение трубы).

Профиль скорости (синим цветом) и контуры давления (радужная цветовая схема), рассчитанные с помощью k-ε модели турбулентности для области жидкости, соединенной с трубой круглого сечения, моделируемой при помощи интерфейса Pipe Flow (Течение в трубопроводе).

Профиль скорости (синим цветом) и контуры давления (радужная цветовая схема), рассчитанные с помощью k-ε модели турбулентности для области жидкости, соединенной с трубой круглого сечения, моделируемой при помощи интерфейса Pipe Flow (Течение в трубопроводе).
Снимок экрана с настройками взаимосвязи Pipe Connection (Соединение трубы) в версии 5.4 программного пакета COMSOL Multiphysics. Пользовательский интерфейс взаимосвязи Pipe Connection (Соединение трубы). Чтобы упростить создание модели, программный пакет предлагает допустимые выборки. Пользовательский интерфейс взаимосвязи Pipe Connection (Соединение трубы). Чтобы упростить создание модели, программный пакет предлагает допустимые выборки.