Обновление модуля «Вычислительная гидродинамика»

В состав модуля «Вычислительная гидродинамика» COMSOL Multiphysics® 6.0 добавлены интерфейсы для моделирования гидродинамики вращающихся машин, новые функции для моделирования турбулентности методом крупных вихрей и несколько новых учебных моделей. Подробнее об этих и других обновлениях ниже.

Интерфейсы Rotating Machinery, High Mach Number Flow

В новой версии в модуль «Вычислительная гидродинамика» добавлены инструменты моделирования течений при высоких значениях числа Маха во вращающихся машинах. Новая группа интерфейсов Rotating Machinery, High Mach Number Flow содержит физические интерфейсы для уравнений сохранения массы, импульса и энергии для ламинарного и турбулентного режимов течения. Типовыми примерами использования этих интерфейсов являются задачи моделирования турбомашин, пропеллеров и вертолётных винтов.

Визуализация поля течения в трёхмерной модели с двумя крыловыми профилями построена с использованием цветовой палитры Rainbow. Визуализация трёхмерного поля течения, обусловленного вращением крыловых профилей. Это тестовая задача для моделей вращающихся течений с высоким значением числа Маха.

Автоматический выбор модели пристеночной области для метода крупных вихрей (LES)

Для LES-интерфейсов добавлена возможность автоматического выбора модели пристеночной области. Эта функция позволяет использовать чуть более грубую сетку вблизи твёрдых стенок в случае, когда область вблизи стенок не представляет особого интереса. Таким образом можно существенно сократить вычислительные затраты без понижения точности моделирования турбулентности в ядре потока, удалённом от стенок. С помощью автоматического выбора модели пристеночной области можно моделировать срыв потока на острых кромках, поскольку переход от ламинарного режима течения к турбулентному в погранслое в этом случае происходит мгновенно.

Поле течения в модели спортивного автомобиля показано линиями тока с использованием цветовой палитры Rainbow. Моделирование обтекания корпуса спортивного автомобиля выполнено методом крупных вихрей с использованием автоматического выбора модели пристеночной области.

Тепловые пристеночные функции для LES

В тех случаях, когда сетка не позволяет смоделировать течение в непосредственной близости от стенки, необходимо использовать пристеночные функции, в том числе и для моделирования теплопередачи. В COMSOL Multiphysics® 6.0 добавлены тепловые пристеночные функции для метода крупных вихрей. Эти функции доступны, если для LES используется автоматический выбор модели пристеночной области. Тепловые пристеночные функции включаются в математическую модель автоматически, когда для параметра Wall treatment LES-интерфейса выбрана опция Automatic. Данный подход можно применять для моделирования срыва потока с острых кромок, а также отрыва погранслоя под действием сил плавучести в направлении, перпендикулярном к гладкой поверхности.

Тепловые пристеночные функции в 3D модели, визуализированной с использованием цветовой палитры Heat Camera. Расчёт свободной конвекции и сопряжённого теплообмена выполнен методом LES с использованием тепловых пристеночных функций.

Генерация гидродинамического шума

Реализован гибридный метод вычислительной аэроакустики для моделирования гидродинамического шума. В основе метода лежит односторонняя связь между генерацией турбулентности и уравнениями акустики. Метод построен на предположении, что поле акустического давления не оказывает влияния на поле течения жидкости. Этот расчётный метод использует дискретизацию акустической аналогии Лайтхилла (волнового уравнения) методом конечных элементов. Математическая модель неявным образом учитывает любые твёрдые границы, которые могут быть неподвижными или могут вибрировать. Доступно два варианта модели генерации шума: акустическая аналогия Лайтхилла и более простая аэроакустическая аналогия.

Новый инструментарий использует комбинацию метода крупных вихрей, реализованного в модуле «Вычислительная гидродинамика», и условия аэроакустического источника Aeroacoustic Flow Source, представленного в интерфейсе Pressure Acoustics, Frequency Domain. Связь интерфейсов осуществляется с помощью мультифизического узла Aeroacoustic Flow Source Coupling и специального типа исследования Transient Mapping. Отметим, что для использования этого функционала необходим модуль «Акустика».

Графическая оболочка COMSOL Multiphysics, отображающая дерево модели с выбранным узлом Aeroacoustic Flow Source Coupling, соответствующее окно настройки и графическое окно, в котором построена модель пары цилиндров. В модель включено множество физических интерфейсов и функций: узел Aeroacoustic Flow Source в интерфейсе Pressure Acoustics, Frequency Domain, мультифизический узел Aeroacoustic Flow Source Coupling, шаг исследования Transient Mapping, FFT и решатель Frequency Domain. В этой модели решается тестовая задача об обтекании пары цилиндров.

Интерфейсы Rotating Machinery, Phase Transport Mixture Model

Пользователи модуля «Миксер» получили возможность моделировать разделение фаз во вращающемся потоке среды, содержащей несколько дисперсных фаз. В этом случае действие центробежной силы позволяет разделить частицы по их плотности, размеру и форме. Новая группа интерфейсов Rotating Machinery, Phase Transport Mixture Model содержит готовые мультифизические интерфейсы, которые упрощают построение подобных моделей. Кроме того, эти интерфейсы можно использовать для моделирования смешения нескольких фаз, которые при отсутствии вращения оседали бы или флотировали.


На графике показано распределение плотности смеси из тяжёлых и лёгких частиц во вращающемся сосуде с коническим дном. Тяжёлые частицы формируют осадочный слой на внешней границе сосуда, тогда как смесь воды и лёгких частиц непрерывно компактируется в центральной части сосуда.


Водная суспензия тяжёлых и лёгких частиц в смесительном баке. При отсутствии вращения лёгкие частицы всплывают наверх (градиент красного цвета), а тяжёлые оседают внизу (градиент синего цвета). Вращение позволяет заново смешать фазы.

Условие проскальзывания Porous Slip в интерфейсе Brinkman Equations

Погранслой при течении жидкости в пористой среде может быть очень тонким, поэтому моделировать течение в погранслое с помощью уравнений Бринкмана крайне непрактично. Новое граничное условие Porous slip позволяет учесть условия на твёрдых стенках, не прибегая к расчёту поля течения в пограничном слое. Вместо этого на поверхностях используются условия для напряжения, что позволяет добиться приемлемой точности в ядре потока за счёт использования асимптотического решения для профиля скорости в погранслое. Это граничное условие активируется в окне настройки интерфейса Brinkman Equations, после чего оно используется по умолчанию на всех твёрдых стенках. Данное условие можно использовать в большинстве случаев для моделирования грунтовых течений в больших по размеру областях с помощью уравнений Бринкмана.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Brinkman Equations, соответствующим окном настройки и графическим окном, в котором построена модель пористого реактора.
Условие Porous Slip можно выбрать в окне настройки интерфейса Brinkman Equations.

Теплопередача в пористой среде

Для повышения удобства использования переработаны инструменты моделирования теплопередачи в пористых средах. В список физических интерфейсов теплопередачи добавлен новый подраздел Porous Media, в который вошли интерфейсы Heat Transfer in Porous Media, Local Thermal Nonequilibrium и Heat Transfer in Packed Bed. Эти интерфейсы имеют схожий функционал. Отличие между ними состоит в том, что во всех трёх интерфейсах в настройках узла Porous Medium использованы разные опции: Local thermal equilibrium, Local thermal nonequilibrium или Packed bed, соответственно. Мультифизический узел Local Thermal Nonequilibrium заменён одноимённым интерфейсом, в котором реализована двухтемпературная модель: одна температура соответствует жидкой фазе, а вторая — твёрдой. Двухтемпературная модель обычно применяется для описания быстрых процессов нагрева или охлаждения пористой среды в условиях интенсивной конвекции жидкой фазы и высокой теплопроводности твёрдой фазы, например, в металлических вспененных материалах. При работе с интерфейсом Local Thermal Equilibrium теперь доступны новые методы осреднения для расчёта эффективной теплопроводности в зависимости от характеристик пористой среды.

Кроме того, унифицирован доступ к осреднённым переменным на этапе обработки результатов для всех трёх типов пористых сред. Обратите внимание на новые особенности описания пористых сред в этих учебных моделях:

Интерфейс Nonisothermal Flow in Porous Media

Новый мультифизический интерфейс Nonisothermal Flow, Brinkman Equations автоматически настраивает связь между интерфейсами теплопередачи и гидродинамики в пористой среде. Он комбинирует интерфейсы Heat Transfer in Porous Media и Brinkman Equations. Пример использования нового интерфейса приведен в учебной модели свободной конвекции в пористой среде Free Convection in a Porous Medium.

Распределение температуры в пористой структуре показано с использованием цветовой палитры Heat Camera. В учебной модели свободной конвекции в пористой среде используется новый функционал для анализа неизотермических течений. Свободная конвекция возникает в результате градиента температуры в пористой структуре.

Интерфейс Two-Phase Flow in Porous Media

Новый мультифизический интерфейс комбинирует интерфейсы Brinkman Equations и Level Set и автоматически настраивает мультифизическую связку Two-Phase Flow, Level Set. Уравнения неразрывности и сохранения импульса записаны в форме уравнений Бринкмана. Положение границы раздела двух не смешиваемых жидкостей в пористой среде описывается с помощью функции уровня.

Заполнение пустой формы смолой. Смола показана с использованием палитры Aurora Australis. Закачка смолы в пустую форму. Для расчёта положения межфазной границы используется новый интерфейс. Форма имеет один вход, три выхода и пористый блок в центре. В начальный момент времени форма заполнена воздухом.

Значительное улучшение работы с пористыми материалами

Теперь для описания свойств пористых материалов используется таблица Phase-Specific Properties в окне настройки узла Porous Material. Помимо этого, можно добавить подузлы для твёрдой и жидкой фаз, причём для каждой фазы можно настроить несколько подузлов. Таким образом, теперь можно использовать один и тот же пористый материал для моделирования гидродинамики, массопереноса и теплопередачи, тогда как раньше приходилось дублировать некоторые настройки и описания свойств материалов.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Porous Material, соответствующим окном настройки и графическим окном, в котором построена модель каталитического реактора. В двухуровневой модели каталитического насыпного реактора для описания свойств пористых материалов используется новый узел Porous Material.

Источниковые члены в интерфейсе Shallow Water Equations

Уравнения мелкой воды представляют собой одномерную или двумерную приближённую модель мелких течений, которая получается за счёт осреднения параметров по глубине потока. Чтобы учесть факторы, связанные с дождём, локальным поступлением воды из скважин или насосов или наличие напряжений на границе, необходимо дополнить модельные уравнения источниковыми членами. Раньше это можно было сделать с помощью режима Equation View, а теперь для описания источников массы или импульса доступны специальные узлы в соответствующих физических интерфейсах.

Новый метод аппроксимации дополнений Шура для солвера Ванка

Солвер Vanka дополнен новым методом приближённой факторизации матричных блоков. При выборе в качестве солвера матричного блока Block solver прямого метода Direct, stored factorization теперь доступна опция Use approximate factorization, которая включает аппроксимацию дополнений Шура для крупных блоков. Этот метод позволяет существенно сократить объём используемой памяти и процессорное время для крупных блоков, которые встречаются, например, в масштабных трёхмерных гидродинамических моделях, использующих на входной границе условие развитого (стабилизированного) поля скорости. Этот метод реализован как в солвере Vanka, так и в солвере SCGS с включённой опцией Vanka.

Новые учебные модели

В состав модуля «Вычислительная гидродинамика» COMSOL Multiphysics® 6.0 добавлено несколько новых учебных моделей.