COMSOL_CFD_流体分析技术介绍

COMSOL流体分析功能概括
稀薄气体流动和 自由分子流
层流和微流体
大长径比管道流动
湍流分析
高超音速流动
离散两相流
均质两相流
流体中颗粒追踪
流固耦 合
多孔介质流动（渗流）
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基于连续介质力学假设的
流体分析
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连 续 介 质 假 设
• 多孔介质流动（渗流）
– 达西定律、布林克曼方程、理查德方程
• 稀薄气体流动
– 滑移边界修正 – 格子波尔兹曼法 – 角系数法
非 连 续 介 质
• 使用有限元法求解
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COMSOL Multiphysics 4.3a
高马赫数流动分析
• 高马赫数流动
– 支持层流和湍流 – 任意马赫数的全可压缩流体分析 – 考虑分子扩散（非欧拉流动）
• 高马赫数情况下的非等温流动
– 增加了数值稳定性 – 入口和出口做了针对性处理 – 伪时间步求解
Turbulent compressible flow in a two-dimensional Sajben diffuser. The flow reaches sonic conditions at the throat of the diffuser, terminating with a shock in the diverging section.
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流体分析的有限元和有限体积法
• 有限元法（FEM）
– – – – 离散格式丰富 高阶导数离散精度高 低速粘性流动和非牛顿流求解精度高 擅长流固耦合、气动噪声等问题
应用于 除粒子追踪模块（离散元）以外的 所有COMSOL模块
气体偏离连续介质的程度
• 无量纲参数 Kn
平均自由程
Kn ＝ l/H
理想气体处于平衡态时：
流动特征尺寸
1 kT l= = 2p d 2 n 2p d 2 p
Kn越大，气体越稀薄
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COMSOL Multiphysics
Startup of a fluidized bed modeled using the Euler-Euler Model Interface
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分离流动
• 精确追踪相界面
– 气泡或者液滴的形成、摇晃的水槽 – 油／水／气混合分离流动
稀薄流动分析方法
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• Kn 0: Euler方程（忽略分子扩散）
• Kn <= 10-3: 连续介质区，
无滑移边界的NS方程及Fourier热传导定律
• 10-3 <= Kn <= 10-1: 温度跳跃与速度滑移区
• 一方程模型
– Spalart Allamras
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湍流模型适用性分析
• k-w and k-e turbulence model
– Flow not resolved down to the wall; wall functions are used to account for wall behavior
• Stokes流／蠕动流
– Re << 1
非牛顿流：番茄酱倾倒
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单相流－湍流
• 雷诺平均 Navier-Stokes (RANS)
– 求解平均速度与压强 – 支持多种湍流粘度模型 – 用于弱可压缩流动
• 二方程模型
– k-e – k-w – Low Re k-w
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不满足连续介质力学假设的
稀薄流体动力学
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稀薄效应
• 什么时候会发生稀薄效应
– 低压、低密度气体 – 高空飞行器：航空航天 – 小物体尺度：大气溶胶、MEMS系统
Robust, reasonably accurate for a variety of flows; widely used with lot of benchmarking data Economical (1-eq.); Accurate for external flows, wall-bounded flows, flows with mild separation
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CFD模块的单相流动
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单相流－层流
• 层流
– 可用于不可压缩或者可压缩流体 – 流体马赫数小于等于0.3
• 非牛顿流体
– – – – 幂律定律（Power law） 卡拉雷定律（Carreau） 支持用户完全自定义本构 流体黏度具有记忆性 • 通用Maxwell • Oldroyd-B model
– Maxwell滑移边界修正的NS方程
• 过渡流（核心问题）
– 波尔兹曼方程 – Monte-Carlo直接模拟、数值解（COMSOL）
– 矩方程方法、离散速度坐标法、模型方程方法、有限 差分法、分子动力学方法、格子气单元自动机（LGM）、 格子波尔兹曼法（LBM）
COMSOL Multiphysics 流体分析技术介绍
中仿科技 安琳 (Lynn An) April 16, 2013
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COMSOL 流体分析
• 一般流动
– NS方程、欧拉方程 – 势流方程、伯努力方程 – 大长径比管道系统的降维度求解
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反应流分析
• 多组分溶质运移 – Fickean和混合物平均公式 – 可考虑电场作用下极化物质的 迁移 – 支持自由流动或者多孔介质中 的物质运移 – 支持湍流混合
• 流体的密度和粘度可与组份浓度 分布相关
Turbulent reacting flow in a multi-jet reactor in a polymerization process.
• 3D或2D管道网络中的1D流体分析
• 内建摩擦系数相关效应
– 自动适配层流或湍流模型 – 牛顿或非牛顿流体 （含Bingham plastic流动） – 支持多种管道截面 – 内建多种配件、阀门、泵的模型可供选择
• 管道与3D结构耦合
Cooling of a plastic mold of a steering wheel – including pipe flow in cooling channels.
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流体中的粒子追踪
• 流体中宏观粒子的轨迹追踪 • 支持添加自定义扶助变量，分析粒子的 质量变化、温度变化以及自旋。
• 更多功能详见粒子追踪模块
– 微观粒子的布朗扩散等 – 粒子间相互作用
– 带电粒子迁移运动
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• 流体微团 • 分子自由程<<流体微团尺度<<特征尺度 • N-S方程
– 连续性方程（质量守恒） – 运动方程
– 本构方程
• 牛顿流 • 非牛顿流（幂律定律、卡拉雷定律）
典型不满足连续介质假设 • 稀薄气体 • 高超飞行器
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• 有限体积法（FVM）
– – – – 继承了FEM离散格式丰富的优点 比有限元简单的多 守恒性好 被大多CFD商软所采用
应用于COMSOL的 等离子体模块和半导体模块(V4.3b)
我们将在未来的版本中将FVM拓展至CFD模块
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Maxwell滑移边界修正的NS方程及Fourier热传导定律
广 义 稀 薄 流 区
• 10-1 <= Kn <= 10: 过渡区
一般意义的稀薄流区
• Kn > 10-: 自由分子流区
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稀薄气体流动分析方法
• 滑移流（Slip Flow）
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多相流分析
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分散流动
• 典型应用
– 气泡流、泥浆、悬浮液、流化床
• 对每个相求解平均NS方程
– 欧拉－欧拉模型 – 气泡流模型 – 混合物模型（欧拉－拉格朗日）
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无限可能的多物理分析
典型的多物理耦合 • • • • • 流热分析：强制对流或者自然对流 对流传质（传热）：化学扩散的三传一反问题 流固耦合（FSI） 流体与电磁场：电泳和磁流体 任何你能想到的
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流固耦合（FSI）
• 流体流动与固体力学耦合分析 – 支持层流和湍流 – 精确分析边界应力 – 全耦合FSI分析（大变形） – 单向耦合FSI
2013年5月14日流固耦合专题Webinar 仿 真 智 领 创 新
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非等温流动分析
• 预定义的功能模式
– 流体和固体求解域自动耦合 – 支持层流和湍流 – 湍流热导率
• 考虑辐射的作用
• 自动支持双向耦合
• 材料属性可以同时和压力与温度相关
Flow and heat transfer analysis in the metal structure and cooling channels in a turbine stator
Advantages
Disadvantages
•
Low Re k-e turbulence model
– Equations are modified to damp turbulent viscosity close to the wall – Solves for flow right up to the wall; all layers resolved
• 功能模式
– 水平集法(Level Set Method) – 相场法(Phase Field Method) – 移动网格法
• 网格要足够小以保证质量守恒
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流体相关的多物理分析
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单相流－旋转机械
• 刚体移动或旋转 – 旋转网格(ALE) – 固定网格(frozen rotor) • 支持层流和湍流分析
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管道流体分析
Swirling and rotating flows, severe pressure gradients
•
Spalart-Allmaras model
– 1-eqn model – No wall functions; Low Re model
Can’t handle free shear flows, flows with strong separation, nonequilibrium turbulence
稀薄气体传热 • 卫星存留时间 • 飞行器热环境 • 飞行器再入大气层 • MEMS器件性能
• 稀薄效应的表现（尺度效应、表面效应）
– – – – 表面力 面容比（表面积与体积之比） 梯度参数效应 流体极性
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连续介质假设