CFD模块简介
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CFD 模块物理场接口
本模块的物理场接口基于流体的动量、质量和能量守恒定律，不同的流动模型 包含这些守恒定律的各种不同形式的组合。这些物理定律转换为偏微分方程， 结合特定的初始值和边界条件进行求解。 物理场接口中定义了一系列特征，包括流体属性的定义、边界条件、初始值和 可能的约束。每一个特征描述守恒方程中的某一项或一个条件。这样的一项或 者一个条件能够定义在组件的几何实体中，例如域、边界、边 （三维组件）或 者点。 图 5 所示为 ' 模型开发器 '，包括 ' 层流 ' 接口及其特征节点 ' 流体属性 1' 的设 定窗口，其中 ' 流体属性 1' 节点在选定的几何域中增加了组件方程中显示的标 记项。另外，' 流体属性 1' 特征可以链接到 ' 材料 ' 特征节点来获得物理属性， 例如密度和粘度，在本例中为水的流体属性。'Water, liquid' 的流体属性可以设 置为物理变量的函数，例如压力和温度。类似，' 壁 1' 节点表示在流体域的壁 面上增加边界条件
CFD 仿真应用
流场的物理特性可以通过一组无量纲参数来表征，例如雷诺数、马赫数和 Grashof 数。通过分析这些参数，可以得到关于流场的大量信息。
例如，雷诺数表示惯性力和粘性力 （内摩擦）的比值。对于非常小的雷诺数 值，可以忽略惯性力，并且流动可逆，在某种意义上来说反向边界条件会导致 反向流动，其中实时发生能量耗散。随着雷诺数增大，粘性效应会被限制在边 界、内部剪切层和尾流等区域，这些区域的大小和其他特征由雷诺数决定。最 后，对于很大的雷诺数值，流动变为完全湍流。与层流相反，高雷诺数流体可 以在湍流流场的任何位置发生粘性耗散，但是只作用在非常小的流体结构上， 一连串的涡流使能量从大尺度的流动结构转移到小尺度的流动结构上。由于求 解这些流动模型所需的要求太高，工业级湍流问题的直接数值仿真现在的可行 性较小，通常使用湍流模型来分析此类问题。对于非常小的雷诺数，CFD 模块 提供了 ' 蠕动流 ' 接口；对于中间过渡的雷诺数范围，使用 ' 层流 ' 接口；对于 非常大的雷诺数值，使用 ' 湍流 ' 接口。
如果您需要联系技术支持，可以点击 www.cn.comsol.com/support/case 访问 COMSOL Access 页面在线填写申请表。
其他链接 :
• 技术中心 : www.cn.comsol.com/support • 产品下载 : www.cn.comsol.com/product-download • 产品升级 : www.cn.comsol.com/support/updates • COMSOL 社区 : www.cn.comsol.com/community • 活动 : www.cn.comsol.com/events • COMSOL 视频中心 : www.cn.comsol.com/video • 技术支持知识库 : www.cn.comsol.com/support/knowledgebase
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马赫数表示流体的速度与流动介质中声速的比值。这个无量纲参数表征了流场 的可压缩性效应，预测激波和稀疏波的发生。对于马赫数大于 0.3 的情形，可 以使用 ' 高马赫数流 ' 层流和湍流接口。 传热、压力功或者摩擦力功引起的温度变化会产生不均匀的密度分布，引起热 对流。热致浮力在动量方程中的重要性通过 Grashof 数与雷诺数平方的比值 （大雷诺数），或者 Grashof 数与雷诺数的比值 （小雷诺数）表征。当这种比 值处于不可忽略范围内时，可以使用 ' 非等温流 ' 接口。 您可以使用 ' 多相流 ' 分支中的 ' 两相流 ' 接口来模拟分隔两种不同流体的移动 和可变形的界面。这个分支中的其它物理场接口主要用于模拟颗粒、液滴或气 泡的悬浮体系。其中，'Euler-Euler 模型 ' 能够处理高浓度粒子的频繁碰撞，以 及两相之间相对速度的瞬变 （也就是说，不能忽略粒子的松弛时间与宏观流动 的时间尺度的比值）。对于反应流和多孔介质流动，可以使用 ' 化学物质传递 '、' 多孔介质和地下水流 ' 分支。 实验分析是实验室中最常用的研究方法，但只能表征少量的数据点，相比较而 言，CFD 仿真能够给出流场的 “ 全景 ”。流场和压力场的定性描述通常是创 新或者改进设计的第一个步骤。 图 2 所示为太阳能电池面板周围的流场。太阳能发电厂中，其它面板会在这个 面板前面造成尾流，产生升力；若单独分析这个面板则不会出现升力。您可以
CFD 模块的物理场接口 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
不同空间维度和求解类型的物理场接口 . . . . . . . . . . . . . . . . 18
教学案例 — 台阶流. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
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图 3：医疗设备喷嘴模型的压力场和流场。
图 4：喷嘴在不同平均流动速率下入口和出口之间的压力差。
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CFD 模块包含大量的工具来计算定量结果。例如，软件内置了面平均和体平 均、最大值和最小值等算子、派生值 （基于解的函数和表达式）以及生成表单 和 x-y 绘图。本模块中还预置了阻力系数和升力系数等派生值，以及其它与 CFD 有关的值。 一般来说，定性研究形成基本认识，能够启发新的想法。有了新的想法之后， 就可以引导重要的产品和工艺的改进，常常形成突破。另一方面，定量研究是 优化和控制的基础，能够极大地改进产品和生产过程，但是通常情况下研究人 员会通过其它一系列较小的步骤来实现。
wwwcomsolcomstorieshofmanwaterpurificationfull模型向导创建模型的第一步就是打开comsol然后选择物理场接口指定分析类型本案例中为稳态湍流打开comsolmultiphysics在?新建?页面中点击?模型向导?然后点击?选择物理场?树中选择?流体流动??单相流??湍流??湍流kspf?点击?增加?按钮点击?求解?按钮在树中选择?预置求解??稳态?点击?完成?按钮参数第一个步骤是定义入口速度参数之后您就可以使用这个参数来运行参数化扫描求解
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简介
工程师和研究人员可以使用 CFD 模块来理解、预测和设计封闭和开放系统中 的流动。在给定的成本下，相对于经验式的流体研究，这些类型的仿真更加适 用于研发新的更优质产品，改进设备和工艺的操作条件。作为研究的一部分， 仿真能够对流动类型、压降、浸没物体上的作用力、温度分布以及流体组分变 化进行精确的预测。
模型几何 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 域方程和边界条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Part number: CM010004
目录
简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
CFD 仿真应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
CFBiblioteka Baidu 模块简介
CFD模块简介
© 1998–2015 COMSOL 受收录于 www.cn.comsol.com/patents 的美国专利，以及美国专利 7,519,518; 7,596,474; 7,623,991; 8,457,932; 和 8,954,302 （专利未决）的保护。 本文档和文中所述的程序根据 COMSOL 软件许可协议 (www.cn.comsol.com/comsol-license-agreement) 提 供、且仅能按照许可协议的条款进行使用和复制。 COMSOL, COMSOL Multiphysics, Capture the Concept, COMSOL Desktop, LiveLink, 和 COMSOL Server 均 为 COMSOL AB 的注册商标或商标。所有其他商标均为其各自所有者的财产， COMSOL AB 公司及其子 公司和产品不与上述商标所有者相关联，亦不为其正式认可。赞助或支持。相关商标拥有者的清单请参 见：
www.cn.comsol.com/trademarks.
版本 : COMSOL 5.1
联系信息
请点击 www.cn.comsol.com/contact 访问联系 COMSOL 页面，提交一般咨询，联系技术 支持，或查询联系地址和电话。您同时还可以点击 www.cn.comsol.com/contact/offices 访 问全球销售办公室页面，查询地址和联系信息。
图 1：Ahmed 仿真模型的流动带状图和速度场大小。仿真得到了流场和压力 场，计算了阻力系数，可将其作为湍流模型的验证和有效性的标准案例。 CFD 模块的常用功能包括模拟二维和三维空间中的稳态和瞬态流体流动。模块 中预置的一系列物理场接口包含多种不同形式的流体方程，可以用来建立和求 解各种流体流动问题。这些物理场接口使用速度、压力等物理变量，以及粘度 等物理属性来定义流体模型。在模块中包含的流体流动接口涵盖广泛的流体问 题，例如单相层流和湍流、多相流、非等温流和反应流等。 这些物理场接口建立在动量、质量和能量守恒定律。这些定律以偏微分方程的 形式描述，在模块中求解特定的初始值和边界条件下的结果。使用流体流动的 稳定有限元公式结合阻尼牛顿法求解这些方程，对于瞬态问题可以使用不同的 瞬态求解算法。计算结果通过 CFD 相关的预定义绘图、任意定义的物理量表
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达式以及派生值 （例如，表面平均压力和阻力系数）等在图形窗口中表征模拟 得到的结果。
CFD 模块的建模流程非常方便，可以用以下步骤概述：定义几何模型、选择模 拟的流体材料、选择流动类型、定义边界条件和初始值、定义有限元网格、选 择求解器以及结果可视化等。所有的这些步骤均可以从 COMSOL Desktop 中 直接定义。通常情况下，软件会使用缺省设定来自动设置网格和求解器，这些 缺省的设置根据每一个特定的流体流动接口进行了微调。
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使用多种工具进行定性分析，例如表面绘图、流线、带状图、箭头、粒子追踪 和动画，以及上述特征的任意组合。
图 2：太阳能电池面板周围的湍流流场，CFD 模块。 除了定性的 “ 全景 ” 之外，CFD 模块仿真还能够精确定量地预测流场的属 性，例如特定压差下的平均流动，受流体作用的物体的阻力系数和升力系数， 或者通风房间中的空气质量。 在图 3 和 图 4 中，计算了医疗设备喷嘴的压降。喷嘴系统的剪切应力和流体力 会破坏医疗仪器中的血细胞，因此在控制流动时必须考虑这些效应。
通过不同流动类型的教学案例和标准案例，CFD 模块的 APP 库描述了流体流 动接口以及它们的不同特征。您在案例库中能够找到工业级仪器和设备的模 型，贴近实际的教学模型，以及验证流体流动接口有效性的标准模型。如果您 要访问这些资源，请切换到 “ 教学案例 —— 台阶流动 ” 章节。
本文档用于指导您快速开始 CFD 建模。其中包含模块的典型应用案例，对每 一个流体流动物理场接口进行简要介绍，以及两个介绍详细建模流程的教学案 例， “ 教学案例 — 台阶流动 ” 和 “ 教学案例 — 净化水反应器 ”。
教学案例 — 水净化反应器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
模型几何 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 域方程和边界条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 关于软件操作的注意事项 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
CFD 模块物理场接口
本模块的物理场接口基于流体的动量、质量和能量守恒定律，不同的流动模型 包含这些守恒定律的各种不同形式的组合。这些物理定律转换为偏微分方程， 结合特定的初始值和边界条件进行求解。 物理场接口中定义了一系列特征，包括流体属性的定义、边界条件、初始值和 可能的约束。每一个特征描述守恒方程中的某一项或一个条件。这样的一项或 者一个条件能够定义在组件的几何实体中，例如域、边界、边 （三维组件）或 者点。 图 5 所示为 ' 模型开发器 '，包括 ' 层流 ' 接口及其特征节点 ' 流体属性 1' 的设 定窗口，其中 ' 流体属性 1' 节点在选定的几何域中增加了组件方程中显示的标 记项。另外，' 流体属性 1' 特征可以链接到 ' 材料 ' 特征节点来获得物理属性， 例如密度和粘度，在本例中为水的流体属性。'Water, liquid' 的流体属性可以设 置为物理变量的函数，例如压力和温度。类似，' 壁 1' 节点表示在流体域的壁 面上增加边界条件
CFD 仿真应用
流场的物理特性可以通过一组无量纲参数来表征，例如雷诺数、马赫数和 Grashof 数。通过分析这些参数，可以得到关于流场的大量信息。
例如，雷诺数表示惯性力和粘性力 （内摩擦）的比值。对于非常小的雷诺数 值，可以忽略惯性力，并且流动可逆，在某种意义上来说反向边界条件会导致 反向流动，其中实时发生能量耗散。随着雷诺数增大，粘性效应会被限制在边 界、内部剪切层和尾流等区域，这些区域的大小和其他特征由雷诺数决定。最 后，对于很大的雷诺数值，流动变为完全湍流。与层流相反，高雷诺数流体可 以在湍流流场的任何位置发生粘性耗散，但是只作用在非常小的流体结构上， 一连串的涡流使能量从大尺度的流动结构转移到小尺度的流动结构上。由于求 解这些流动模型所需的要求太高，工业级湍流问题的直接数值仿真现在的可行 性较小，通常使用湍流模型来分析此类问题。对于非常小的雷诺数，CFD 模块 提供了 ' 蠕动流 ' 接口；对于中间过渡的雷诺数范围，使用 ' 层流 ' 接口；对于 非常大的雷诺数值，使用 ' 湍流 ' 接口。
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马赫数表示流体的速度与流动介质中声速的比值。这个无量纲参数表征了流场 的可压缩性效应，预测激波和稀疏波的发生。对于马赫数大于 0.3 的情形，可 以使用 ' 高马赫数流 ' 层流和湍流接口。 传热、压力功或者摩擦力功引起的温度变化会产生不均匀的密度分布，引起热 对流。热致浮力在动量方程中的重要性通过 Grashof 数与雷诺数平方的比值 （大雷诺数），或者 Grashof 数与雷诺数的比值 （小雷诺数）表征。当这种比 值处于不可忽略范围内时，可以使用 ' 非等温流 ' 接口。 您可以使用 ' 多相流 ' 分支中的 ' 两相流 ' 接口来模拟分隔两种不同流体的移动 和可变形的界面。这个分支中的其它物理场接口主要用于模拟颗粒、液滴或气 泡的悬浮体系。其中，'Euler-Euler 模型 ' 能够处理高浓度粒子的频繁碰撞，以 及两相之间相对速度的瞬变 （也就是说，不能忽略粒子的松弛时间与宏观流动 的时间尺度的比值）。对于反应流和多孔介质流动，可以使用 ' 化学物质传递 '、' 多孔介质和地下水流 ' 分支。 实验分析是实验室中最常用的研究方法，但只能表征少量的数据点，相比较而 言，CFD 仿真能够给出流场的 “ 全景 ”。流场和压力场的定性描述通常是创 新或者改进设计的第一个步骤。 图 2 所示为太阳能电池面板周围的流场。太阳能发电厂中，其它面板会在这个 面板前面造成尾流，产生升力；若单独分析这个面板则不会出现升力。您可以
CFD 模块的物理场接口 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
不同空间维度和求解类型的物理场接口 . . . . . . . . . . . . . . . . 18
教学案例 — 台阶流. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
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图 3：医疗设备喷嘴模型的压力场和流场。
图 4：喷嘴在不同平均流动速率下入口和出口之间的压力差。
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CFD 模块包含大量的工具来计算定量结果。例如，软件内置了面平均和体平 均、最大值和最小值等算子、派生值 （基于解的函数和表达式）以及生成表单 和 x-y 绘图。本模块中还预置了阻力系数和升力系数等派生值，以及其它与 CFD 有关的值。 一般来说，定性研究形成基本认识，能够启发新的想法。有了新的想法之后， 就可以引导重要的产品和工艺的改进，常常形成突破。另一方面，定量研究是 优化和控制的基础，能够极大地改进产品和生产过程，但是通常情况下研究人 员会通过其它一系列较小的步骤来实现。
wwwcomsolcomstorieshofmanwaterpurificationfull模型向导创建模型的第一步就是打开comsol然后选择物理场接口指定分析类型本案例中为稳态湍流打开comsolmultiphysics在?新建?页面中点击?模型向导?然后点击?选择物理场?树中选择?流体流动??单相流??湍流??湍流kspf?点击?增加?按钮点击?求解?按钮在树中选择?预置求解??稳态?点击?完成?按钮参数第一个步骤是定义入口速度参数之后您就可以使用这个参数来运行参数化扫描求解
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简介
工程师和研究人员可以使用 CFD 模块来理解、预测和设计封闭和开放系统中 的流动。在给定的成本下，相对于经验式的流体研究，这些类型的仿真更加适 用于研发新的更优质产品，改进设备和工艺的操作条件。作为研究的一部分， 仿真能够对流动类型、压降、浸没物体上的作用力、温度分布以及流体组分变 化进行精确的预测。
模型几何 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 域方程和边界条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Part number: CM010004
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简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
CFD 仿真应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
CFBiblioteka Baidu 模块简介
CFD模块简介
© 1998–2015 COMSOL 受收录于 www.cn.comsol.com/patents 的美国专利，以及美国专利 7,519,518; 7,596,474; 7,623,991; 8,457,932; 和 8,954,302 （专利未决）的保护。 本文档和文中所述的程序根据 COMSOL 软件许可协议 (www.cn.comsol.com/comsol-license-agreement) 提 供、且仅能按照许可协议的条款进行使用和复制。 COMSOL, COMSOL Multiphysics, Capture the Concept, COMSOL Desktop, LiveLink, 和 COMSOL Server 均 为 COMSOL AB 的注册商标或商标。所有其他商标均为其各自所有者的财产， COMSOL AB 公司及其子 公司和产品不与上述商标所有者相关联，亦不为其正式认可。赞助或支持。相关商标拥有者的清单请参 见：
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版本 : COMSOL 5.1
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图 1：Ahmed 仿真模型的流动带状图和速度场大小。仿真得到了流场和压力 场，计算了阻力系数，可将其作为湍流模型的验证和有效性的标准案例。 CFD 模块的常用功能包括模拟二维和三维空间中的稳态和瞬态流体流动。模块 中预置的一系列物理场接口包含多种不同形式的流体方程，可以用来建立和求 解各种流体流动问题。这些物理场接口使用速度、压力等物理变量，以及粘度 等物理属性来定义流体模型。在模块中包含的流体流动接口涵盖广泛的流体问 题，例如单相层流和湍流、多相流、非等温流和反应流等。 这些物理场接口建立在动量、质量和能量守恒定律。这些定律以偏微分方程的 形式描述，在模块中求解特定的初始值和边界条件下的结果。使用流体流动的 稳定有限元公式结合阻尼牛顿法求解这些方程，对于瞬态问题可以使用不同的 瞬态求解算法。计算结果通过 CFD 相关的预定义绘图、任意定义的物理量表
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达式以及派生值 （例如，表面平均压力和阻力系数）等在图形窗口中表征模拟 得到的结果。
CFD 模块的建模流程非常方便，可以用以下步骤概述：定义几何模型、选择模 拟的流体材料、选择流动类型、定义边界条件和初始值、定义有限元网格、选 择求解器以及结果可视化等。所有的这些步骤均可以从 COMSOL Desktop 中 直接定义。通常情况下，软件会使用缺省设定来自动设置网格和求解器，这些 缺省的设置根据每一个特定的流体流动接口进行了微调。
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使用多种工具进行定性分析，例如表面绘图、流线、带状图、箭头、粒子追踪 和动画，以及上述特征的任意组合。
图 2：太阳能电池面板周围的湍流流场，CFD 模块。 除了定性的 “ 全景 ” 之外，CFD 模块仿真还能够精确定量地预测流场的属 性，例如特定压差下的平均流动，受流体作用的物体的阻力系数和升力系数， 或者通风房间中的空气质量。 在图 3 和 图 4 中，计算了医疗设备喷嘴的压降。喷嘴系统的剪切应力和流体力 会破坏医疗仪器中的血细胞，因此在控制流动时必须考虑这些效应。
通过不同流动类型的教学案例和标准案例，CFD 模块的 APP 库描述了流体流 动接口以及它们的不同特征。您在案例库中能够找到工业级仪器和设备的模 型，贴近实际的教学模型，以及验证流体流动接口有效性的标准模型。如果您 要访问这些资源，请切换到 “ 教学案例 —— 台阶流动 ” 章节。
本文档用于指导您快速开始 CFD 建模。其中包含模块的典型应用案例，对每 一个流体流动物理场接口进行简要介绍，以及两个介绍详细建模流程的教学案 例， “ 教学案例 — 台阶流动 ” 和 “ 教学案例 — 净化水反应器 ”。
教学案例 — 水净化反应器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
模型几何 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 域方程和边界条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 关于软件操作的注意事项 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36