Модуль вычислительная гидродинамика

Моделируйте течение жидкостей и газов с помощью модуля Вычислительная гидродинамика

Модуль Вычислительная гидродинамика для моделирования однофазных и многофазных потоков

Используйте модуль Вычислительная гидродинамика, расширяющий возможности среды численного моделирования COMSOL Multiphysics^®, для численного анализа систем, в которых гидродинамические процессы сопровождаются другими физическими явлениями.

Модуль Вычислительная гидродинамика содержит инструменты для создания ключевых моделей течений, описывающих:

• Несжимаемые и сжимаемые среды
• Ламинарные и турбулентные течения
• Однофазные и многофазные потоки
• Течения в свободной и пористой среде, а также в открытых областях
• Течения в тонких пленках

Эти возможности реализованы в структурированных гидродинамических интерфейсах, предназначенных для постановки, решения и анализа стационарных и нестационарных задач в двумерных, двумерных осесимметричных и трехмерных областях. Кроме того, в модуле Вычислительная гидродинамика имеются специальные инструменты для решения задач о течении неньютоновских жидкостей, течении во вращающемся оборудовании и течении при высоких числах Маха.

Возможность описать в модели сразу несколько физических явлений крайне полезна при анализе гидродинамических процессов. С помощью модуля Вычислительная гидродинамика можно строить модели сопряженной теплопередачи и химически-реагирующих потоков в той же программной среде, в которой вы решаете гидродинамические задачи. Дополнительные мультифизические возможности, например, расчет взаимодействия потоков с механическими конструкциями, доступны при использовании модуля Вычислительная гидродинамика совместно с другими модулями в составе среды численного моделирования COMSOL^®.

Область применения модуля Вычислительная гидродинамика

Дополнив базовый функционал COMSOL Multiphysics^® модулем Вычислительная гидродинамика, вы получите доступ к специальным возможностям COMSOL Multiphysics^® для решения задач вычислительной гидродинамики. Все перечисленные ниже инструменты реализованы в соответствующих физических интерфейсах. При постановке и решении задач этого типа жидкость по умолчанию рассматривается как несжимаемая среда, но при необходимости вы можете изменить настройки и использовать модели слабосжимаемой или сжимаемой жидкости.

Ламинарное и ползучее течения

Интерфейсы Laminar Flow (Ламинарное течение) и Creeping Flow (Ползучее течение) позволяют моделировать стационарные и нестационарные течения при относительно низких числах Рейнольдса. Вязкость среды может зависеть от локального состава и температуры, а также от любой другой полевой переменной, рассчитываемой вместе с полем течения. Для неньютоновских жидкостей можно использовать готовые реологические модели вязкости, например Power Law (Степенная) и Carreau (Карро), которые легко настраиваются.

Как правило, источниками плотности, вязкости и импульса могут быть произвольные функции температуры, состава, градиента скорости и любых других зависимых переменных, а также их производных. Благодаря этим параметрам можно описывать собственные модели вязкоупругого течения.

 

Турбулентный режим течения

В модуле Вычислительная гидродинамика представлен богатый набор RANS-моделей турбулентности (модели, основанные на осредненных по Рейнольдсу уравнениях Навье-Стокса), реализованных в соответствующих гидродинамических интерфейсах. Пользователю доступны следующие модели турбулентных стационарных и нестационарных течений:

Двухпараметрические модели

• k-ε-модель
• Реалистичная k-ε-модель
• k-ω-модель
• SST-модель
• Низкорейнольдсовая k-ε-модель

Дополнительные модели на основе уравнений переноса

• Модель Спаларта-Аллрамаса
• Модель v2-f

Алгебраические модели турбулентности

• Алгебраическая модель Y+
• Модель L-VEL

  Модели крупных вихрей (LES)

• RBVM
• RBVMWV
• Смагоринского

Описание пристеночной области

Интерфейсы турбулентных течений можно комбинировать с различными способами описания пристеночной области:

• Пристеночные функции
• Низкорейнольдсовое описание
• Автоматический выбор модели пристеночной области

Пользовательские модели турбулентности

Для создания моделей турбулентности, которые еще не включены в программный пакет, можно изменить модельные уравнения непосредственно в графическом интерфейсе пользователя.

Течение в тонких пленках

Интерфейс Thin Film Flow, Shell (Течение в тонких пленках, Слой) модуля Вычислительная гидродинамика предназначен для описания потоков в тонких слоях, например в тонких масляных пленках между движущимися поверхностями или в конструкциях с трещинами. Этот интерфейс используется, в основном, для моделирования смазки, упругогидродинамических пленок или явлений жидкостной амортизации за счет наличия вязкой среды в подвижных системах (например, в микроэлектромеханических системах).

В интерфейсе Thin Film Flow, Shell (Течение в тонких пленках, Слой) реализованы осредненные по толщине слоя уравнения Рейнольдса для потока в узких областях и уравнения сохранения массы и импульса, таким образом, в этих тонких объектах не нужно строить сетку. Данный подход позволяет избежать сложностей, связанных с построением сетки в узком зазоре, и, как следствие, сократить время вычислений.

Многофазные течения

Для моделирования многофазных систем можно использовать методы расчета межфазной поверхности, которые позволяют описать поведение пузырей, капель и свободных поверхностей. С помощью этих методов можно рассчитать форму границы раздела фаз с учетом эффектов поверхностного натяжения.

Если пузыри, капли или частицы имеют малые по сравнению с характерным масштабом расчетной области размеры, а число их велико, то в этом случае можно использовать дисперсные модели многофазного потоков. В моделях этого типа рассчитывается массовая доля каждой из фаз с учетом влияния дисперсной фазы на осредненное поле течения.

Для решения стационарных и нестационарных задач доступны следующие модели расчета межфазной поверхности и дисперсные модели многофазных потоков:

Модели разделенного многофазного потока

• Метод функции уровня
• Метод фазового поля

  Модели дисперсного многофазного потока

• Модель пузырькового течения
• Модель многофазной смеси
• Модель Эйлера-Эйлера
• Перенос фазы

Модуль Течения в пористых средах

Использование модуля Вычислительная гидродинамика упрощает расчет течений в пористых средах благодаря наличию трех разных математических моделей гидродинамики пористых сред.

Модели течений в пористых средах

• Закон Дарси
• Уравнения Бринкмана
• Свободный поток и течение в пористых средах

Течения при больших числах Маха

Можно моделировать околозвуковое и сверхзвуковое течение сжимаемых сред как в ламинарном, так и в турбулентном режимах. Модель ламинарного течения, как правило, используется для систем низкого давления и автоматически задает уравнения сохранения импульса, массы и энергии идеального газа. Для потоков с высоким числом Маха можно использовать модели турбулентности k-ε и Спаларта — Аллмараса.

В программном пакете COMSOL^® автоматически формулируется уравнение сохранения энергии, связанное с уравнениями сохранения импульса и массы для идеального газа. В обоих случаях при построении сетки в таких моделях адаптивная генерация сетки позволяет определить картину скачков уплотнения, уплотняя сетку в областях с очень высокими градиентами скорости и давления.

Течение во вращающемся оборудовании

Работа вращающегося оборудования, например мешалок или насосов, часто сопряжена с гидродинамическими процессами. В модуле Вычислительная гидродинамика доступны интерфейсы, в которых реализованы уравнения гидродинамики во вращающихся системах отсчета. Эти интерфейсы могут использоваться для расчета однофазного течения при ламинарном или турбулентном режимах. Ставить и решать задачи можно с помощью полного нестационарного описания вращающейся системы или с помощью усредненного подхода на основе аппроксимации с «замороженным» ротором. Второй подход требует меньше вычислительных ресурсов и может использоваться для расчета усредненных скоростей, изменения давления, уровней смешивания, усредненной температуры, распределения концентраций и других величин.

По большому счету, с помощью модуля Вычислительная гидродинамика можно решать гидродинамические задачи в любой движущейся системе отсчета, не обязательно вращающейся. Движущиеся системы отсчета можно использовать для решения задачи, в которой, например, одна конструкция скользит относительно другой, а между ними движется среда. Такую задачу легко задать и решить с использованием подвижной сетки.

Мультифизическое моделирование явлений реального мира

Во многих случаях расчет гидродинамики можно связать с моделированием других явлений, например теплопередачи, механики конструкций, химических реакций или электромагнитных полей в электрокинетическом потоке и магнитогидродинамических задачах. Моделирование нескольких разных явлений в COMSOL Multiphysics^® ничем не отличается от задачи, относящейся к одной области физики, поскольку модуль Вычислительная гидродинамика содержит готовые мультифизические интерфейсы для самых распространенных взаимосвязанных процессов.

Неизотермические течения и сопряженный теплообмен

 

В модуль Вычислительная гидродинамика включены специальные физические интерфейсы для моделирования сопряженной теплопередачи в жидкости и твердых телах. Уравнения для поля течения задаются и решаются в области, занятой жидкостью или газом, а уравнение энергии — сквозным счетом во всей расчетной области.

Для ламинарного режима и низкорейнольдсовых моделей турбулентности используется условие непрерывности температуры на границе раздела твердое тело-жидкость (это стандартная настройка в интерфейсах неизотермического потока). Для моделирования турбулентной сопряженной теплопередачи на основе моделей турбулентности с пристеночными функциями Nonisothermal Flow (Неизотермический поток) пристеночные функции для температуры задаются автоматически.

Благодаря использованию низкорейнольдсовых моделей и моделей с пристеночными функциями поставить и решить задачу о сопряженном теплообмене при турбулентном течении жидкости становится намного проще.

Взаимодействие потока среды с твердотельной конструкцией

При совместном использовании с модулем Механика конструкций задачи о взаимодействии потока и твердотельной конструкции можно решать при ламинарном и турбулентном режимах течения. В модуле Вычислительная гидродинамика доступны две опции для работы с такими задачами:

1. Односторонее взаимодействие потока и конструкции — поток создает нагрузку на конструкцию, но деформация настолько мала, что ее влиянием на структуру течения можно пренебречь.
2. Двустороннее взаимодействие потока и конструкции — поток создает нагрузку на конструкцию, но деформация велика, и под ее влиянием изменяется форма области течения.

В случае двустороннего взаимодействия в области течения создается подвижная сетка. Смещения на границах между текучей средой и твердой конструкцией определяются равновесием гидродинамических сил, действующих со стороны потока, и сил реакции, действующих со стороны деформирующейся твердой конструкции. Стационарные и нестационарные исследования доступны как для одностороннего, так и для двустороннего взаимодействия потока и конструкции при ламинарном и турбулентном режимах.

Химически-реагирующие потоки

 

С помощью модуля Вычислительная гидродинамика можно моделировать системы, в которых происходят химические реакции как при ламинарных, так и при турбулентных режимах течения реагентов. Таким образом, можно проектировать и анализировать процессы в реакторах, мешалках и любых других системах с химически-реагирующими потоками. С помощью специализированных интерфейсов можно описать перенос массы вещества в слабых и концентрированных многокомпонентных растворах и смесях. Для описания массопереноса в концентрированных растворах доступна модель усредненной смеси.

При использовании модуля в совокупности с модулем Химические реакции доступны полные уравнения массопереноса Максвелла-Стефана. Для турбулентных режимов течения реагентов используется модель вихревой диффузии, которая описывает турбулентные флуктуации в слабых и концентрированных растворах. В модели массопереноса в концентрированных смесях также автоматически учитывается слагаемое Стефана, например, на границах расчетной области, где происходят химические реакции.

Мешалки

Использование модуля Миксер совместно с модулем Вычислительная гидродинамика расширяет возможности моделирования и позволяет рассчитывать многофазные потоки и свободные поверхности во вращающемся оборудовании. Кроме того, в Библиотеке деталей для упрощения построения геометрических моделей представлены импеллеры и сосуды. Оба этих элемента отлично подходят для моделирования технологических процессов в фармацевтической и пищевой промышленности.

Модели многофазных потоков Эйлера-Лагранжа, в которых используется трассировка частиц

В интерфейсах многофазных дисперсных сред модуля Вычислительная гидродинамика используются уравнения для полевой переменной, задающей объемную долю фазы. Если использовать модуль Вычислительная гидродинамика совместно с модулем Трассировка частиц, можно строить модели многофазных потоков Эйлера-Лагранжа, в которых частицы или капли описываются как жесткие частицы. Если последние моделируются отдельно, взаимодействие между движущейся средой и частицами носит двунаправленный характер, поскольку частицы влияют на структуру течения среды. Кроме того, если анализируется относительно небольшое количество частиц, модели Эйлера-Лагранжа потребляют небольшое количество вычислительных ресурсов.

Течение в трубопроводах и Вычислительная гидродинамика

В модуле Течение в трубопроводах для моделирования трубопроводных систем реализованы одномерные осредненные уравнения гидродинамики. Если использовать этот модуль в сочетании с модулем Вычислительная гидродинамика, можно создавать высокоточные модели, содержащие соединения одномерных труб и каналов с двумерными или трехмерными областями, в которых реализуются потоки несжимаемых, слабо сжимаемых жидкостей, а также неизотермические или химически-реагирующие потоки.

Общие функции, адаптированные для решения задач вычислительной гидродинамики

Рабочий процесс построения моделей в COMSOL Multiphysics^® одинаков для всех модулей. Модуль Вычислительная гидродинамика предоставляет специальные функции для повышения производительности и точности вычислительной гидродинамики. Вот несколько специализированных функций этого модуля:

Геометрия

Вокруг импортированной из CAD геометрической модели можно создавать области течения. Можно автоматически или вручную убрать из геометрической модели элементы, не влияющие на структуру течения.

Материалы

В модуле Вычислительная гидродинамика имеется Библиотека материалов, содержащая самые распространенные газы и жидкости. В сочетании с модулем Химические реакции вы получаете доступ к общему описанию физических свойств газов (вязкость, плотность, коэффициент диффузии и теплопроводность).

Сетка

При автоматическом построении сетки учитываются заданные граничные условия для решения гидродинамической задачи с требуемой точностью. Погранслойные элементы сетки строятся автоматически. Этот тип элементов необходим для расчета градиентов скорости, которые, обычно, возникают вблизи твердых стенок.

Дискретизация

В гидродинамических интерфейсах для дискретизации уравнений и построения расчетной двумерной, двумерной осесимметричной или трехмерной пространственных моделей используется метод наименьших квадратов Галеркина. Тестовые функции подобраны так, чтобы стабилизировать в уравнениях переноса гиперболические члены и члены, содержащие давление. Методы расчета с учетом разрывов параметров сокращают паразитные осцилляции решения. Кроме того, для обеспечения сохранения импульса, массы и энергии на внутренних и внешних границах используются разрывные методы Галеркина.

Решатели

Уравнения гидродинамики обычно сильно нелинейны. Для их решения система автоматически подбирает подходящий демпфированный метод Ньютона. Для масштабных задач линейные итерации в рамках метода Ньютона ускоряются с помощью новейших алгебраических или геометрических многосеточных методов, специально разработанных для решения уравнений переноса.

В нестационарных задачах для наиболее точного вычисления полей скорости и давления в сочетании с вышеперечисленными нелинейными решателями используются методы дискретизации по времени с автоматическим выбором шага и определением порядка полиномов.

Обработка результатов

При использовании гидродинамических интерфейсов создаются ряд стандартных графиков для анализа полей скорости и давления. Доступен также обширный список производных значений и переменных, к которым можно быстро получить доступ и вывести результаты анализа.

 

Приложения для более эффективного решения задач вычислительной гидродинамики

С помощью Среды разработки приложений, входящей в состав программного пакета COMSOL Multiphysics^®, можно создавать пользовательские интерфейсы для любых расчетных моделей. Этот инструмент позволяет создавать специализированные приложения, предоставляя возможность ограничивать набор входных данных и управлять выводом результатов расчета. Приложения можно использовать в самых разных целях:

• Для автоматизации сложных и повторяющихся действий, которые можно записать в виде последовательности операций, выполненных в графическом интерфейсе, и скомпоновать в одну команду
• Для создания и обновления отчетов на основе большого числа параметризованных моделей и специальных процедур, обеспечивающих наилучшие воспроизводимость и качество
• Для создания удобных интерфейсов к конкретным моделям, которые помогут специалистам, не имеющим опыта численного моделирования
• Для повышения доступности моделей в организации и максимального увеличения доходности вложений в разработку
• Для повышения конкурентоспособности путем предложения специально адаптированной продукции, основанной на высокоточных моделях, встроенных в удобные приложения, которые вы предоставляете клиентам